Creado:
16.02.2025 | 02:20
Actualizado:
15.02.2025 | 20:34
A principios de los años 80, el cristalógrafo Dan Shechtman observó algo que desafiaba el conocimiento científico de la época. Usando un microscopio electrónico, detectó un patrón atómico que parecía desorganizado a pequeña escala, pero revelaba un orden sorprendente cuando se analizaba en conjunto. Ese descubrimiento le valdría, décadas después, el Premio Nobel de Química en 2011, pero en su momento, fue recibido con escepticismo. No era para menos: había encontrado evidencia de los cuasicristales, una forma de materia que los científicos consideraban imposible.
Ahora, un equipo de investigadores del Technion-Israel Institute of Technology, en colaboración con universidades alemanas, ha llevado ese concepto un paso más allá. Han demostrado que las propiedades topológicas de estos materiales están gobernadas por estructuras en dimensiones superiores. Su estudio, publicado en la revista Science, no solo amplía nuestro conocimiento de la física de los cuasicristales, sino que podría tener aplicaciones en el procesamiento de información y la computación cuántica.
Descubren una nueva fase de la materia que parece ciencia ficción: de la cuántica al teseracto
Eugenio M. Fernández Aguilar
La cuarta dimensión en la materia
Cuando hablamos de dimensiones, normalmente pensamos en las tres que definen nuestro espacio cotidiano: alto, ancho y profundidad. Sin embargo, la física teórica permite la existencia de dimensiones superiores, aunque no podamos visualizarlas directamente. Un ejemplo clásico es el teseracto o hipercubo, un objeto de cuatro dimensiones análogo a un cubo tridimensional.
Los científicos han descubierto que algunos materiales exhiben propiedades que solo pueden explicarse considerando una dimensión adicional. En este estudio, lograron demostrar que la estructura topológica de ciertos cuasicristales se comporta como si existiera en un espacio de cuatro dimensiones, a pesar de estar confinada en un entorno tridimensional.
Teseracto. Ilustración: Florian Sterl, Sterltech Optics
Cuasicristales: materia imposible
Los cuasicristales, descubiertos por Shechtman en 1982, tienen una estructura que desafía la noción convencional de los cristales. Mientras que los materiales cristalinos normales presentan un orden periódico, repitiendo sus patrones de manera predecible, los cuasicristales tienen una organización cuasiperiódica, es decir, con orden pero sin repetición regular.
Este descubrimiento fue explicado teóricamente por Dov Levine y Paul Steinhardt, quienes propusieron que los cuasicristales pueden entenderse como proyecciones de una estructura periódica en un espacio de mayor dimensión. Su modelo predice no solo la estructura, sino también las propiedades mecánicas y termodinámicas de estos materiales.
El reciente estudio confirma esta idea de una manera más profunda: las propiedades topológicas de los cuasicristales dependen de su descripción en cuatro dimensiones. En otras palabras, no basta con estudiar su estructura en tres dimensiones, sino que es necesario considerar su origen en una dimensión superior.
Dan Shechtman. Fuente: Wikipedia
Propiedades topológicas en un cristal cuatridimensional
La topología es una rama de la matemática que estudia las propiedades geométricas que se mantienen inalteradas ante deformaciones continuas. En física, la topología es clave para entender fenómenos en sistemas de muchas partículas y en materiales exóticos como los cuasicristales.
En este estudio, los investigadores analizaron patrones de interferencia de ondas electromagnéticas en superficies cuasiperiódicas. Para su sorpresa, descubrieron que dos patrones aparentemente distintos no podían diferenciarse en términos topológicos en dos dimensiones. La única forma de distinguirlos era referirse al cristal original en cuatro dimensiones.
Este hallazgo no solo reafirma la idea de Levine y Steinhardt, sino que también tiene implicaciones en el estudio de la computación cuántica y la transmisión de información, donde la topología juega un papel fundamental.
La única forma de distinguir patrones era referirse al cristal original en cuatro dimensiones. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Un fenómeno a escalas ultrarrápidas
Otro resultado inesperado del estudio fue la observación de un fenómeno extremadamente rápido. Dos patrones topológicamente distintos parecían idénticos cuando se medían en ciertos intervalos de tiempo muy cortos. Este intervalo era del orden de los attosegundos, una milmillonésima de una milmillonésima de segundo.
Según la teoría de Levine y Steinhardt, este efecto se debe a una especie de competencia entre las propiedades topológicas y termodinámicas de los cuasicristales. En otras palabras, la estructura del material y su comportamiento energético interactúan de manera compleja, generando efectos que solo pueden comprenderse en términos de dimensiones superiores.
Herramientas para explorar lo invisible
Para llevar a cabo esta investigación, el equipo utilizó dos técnicas avanzadas. Por un lado, emplearon microscopía óptica de campo cercano, que permite analizar estructuras a escalas nanométricas con gran precisión. Además, usaron microscopía de fotoemisión de dos fotones, un método que captura detalles extremadamente finos sobre la interacción entre la luz y los electrones en la superficie del material.
Gracias a estas herramientas, los científicos lograron visualizar y caracterizar las propiedades de los cuasicristales con una precisión sin precedentes. Esto abre la puerta a nuevos experimentos que podrían ayudar a diseñar materiales con propiedades topológicas controladas, útiles para aplicaciones en telecomunicaciones y seguridad informática.
Implicaciones y aplicaciones futuras
El descubrimiento de que las propiedades de los cuasicristales están regidas por una dimensión superior no es solo un avance teórico. En la práctica, esta comprensión podría revolucionar la manera en que almacenamos y transmitimos información.
Los investigadores sugieren que estas propiedades topológicas podrían aplicarse en el futuro para codificar datos de manera más eficiente y desarrollar nuevos dispositivos de computación cuántica. Además, el estudio de estos materiales podría aportar claves fundamentales para entender estructuras en otros campos de la física, incluyendo la cosmología y la física de partículas.
En los próximos años, el equipo planea expandir sus hallazgos a otros sistemas físicos y explorar con más detalle la relación entre las propiedades topológicas y termodinámicas de los cuasicristales. Con cada nuevo avance, la posibilidad de aprovechar las propiedades de estos materiales en tecnologías del futuro se vuelve más tangible.
Crean haces de luz capaces de transportar datos masivos gracias a vórtices ópticos
Eugenio M. Fernández Aguilar
Referencias
Shai Tsesses et al., Four-dimensional conserved topological charge vectors in plasmonic quasicrystals. Science 387,644-648(2025). DOI:10.1126/science.adt2495
Fuente:
Autor: efernandez
About The Author
