Uno de los conceptos más fundamentales de la física moderna es la ruptura espontánea de simetría. Cuando un sistema experimenta una transición de fase hacia un estado ordenado, debe elegir, aparentemente al azar, una configuración específica de un conjunto infinito de posibilidades equivalentes. Un ferromagneto escoge una dirección de magnetización. Un cristal escoge una posición para su red. Y un condensado de Bose-Einstein, el estado de la materia en el que un número macroscópico de partículas ocupan el mismo estado cuántico, debe escoger una fase.
Este momento de elección, la aparición de una fase global de la nada, es central para la teoría BEC. Fue predicho por Fritz London en 1938 y ha sido un pilar de la física de la materia condensada desde entonces. Pero nunca había sido observado directamente en el dominio temporal.
Ahora, físicos de la Universidad RPTU Kaiserslautern-Landau en Alemania, junto con un colaborador de la Universidad de Colorado Colorado Springs, han filmado este proceso dentro de un cristal de granate de itrio y hierro (YIG) a escala milimétrica. Sus resultados fueron publicados en Nature Physics.
«Por primera vez, podemos medir directamente la aparición espontánea de coherencia en un condensado de magnones», dijo Malte Koster, primer autor del estudio. «Podemos demostrar que la fase del condensado es independiente de cualquier fuente externa, probando así la formación de un verdadero BEC.»
Los magnones como plataforma BEC
Los magnones son las cuasipartículas cuánticas de las ondas de espín, excitaciones colectivas del orden magnético en un material. Son bosones y, bajo las condiciones adecuadas, pueden condensarse en un BEC, igual que los átomos pueden hacerlo en un gas enfriado por láser a temperaturas de nanokelvin. La diferencia es que los BEC de magnones operan a temperatura ambiente y dentro de un cristal sólido, lo que los hace mucho más accesibles para experimentos.
Los investigadores utilizaron una película de YIG de 2,1 micrómetros de espesor, un granate ferrimagnético sintético con un amortiguamiento magnético extraordinariamente bajo, el más bajo conocido para cualquier material magnético. Bombearon la película con pulsos de microondas de 1 microsegundo a 7,8 gigahercios a través de una antena de microcinta, aplicando un campo magnético de 281 militeslas. Después de cada pulso, los magnones en la película se termalizaron mediante procesos de dispersión de cuatro magnones y, cuando la potencia de bombeo superó un umbral de aproximadamente 21 dBm, se condensaron en un estado coherente en la parte inferior del espectro de magnones.
La innovación crítica fue el método de detección: un mezclador IQ que mide la fase instantánea de la magnetización en precesión en una sola toma, sin promediar entre ciclos. Esto preserva la información de fase de cada evento de condensación individual.
La fase aparece
Tres observaciones confirman la ruptura espontánea de simetría. Primero, la fase del condensado se distribuye uniformemente entre 0 y 2π en 1.000 ejecuciones experimentales independientes. La fase de bombeo es fija, la misma cada vez, pero la fase del magnón es aleatoria, lo que demuestra que no es impuesta externamente.
Segundo, el inicio es abrupto. Por debajo de aproximadamente 21 dBm de potencia de bombeo, no aparece coherencia. Por encima de este umbral, la métrica de coherencia salta bruscamente a aproximadamente 0,9, una firma clásica de transición de fase.
Tercero, una vez formado, el condensado mantiene su fase hasta que la densidad de magnones decae por debajo del ruido de fondo. No hay desfasaje; el estado es estable durante toda su vida útil.
«Esta es la confirmación definitiva de la ruptura de simetría U(1) en un BEC de cuasipartículas», dijo Georg von Freymann, uno de los autores principales. «La fase no está determinada por la bomba, ni por la geometría, ni por el cristal. Se elige espontáneamente, cada vez de nuevo.»
Por qué es importante
El experimento cierra una brecha de larga data en la física de BEC. Se habían observado diferencias de fase espaciales en experimentos de interferencia, y la coherencia de segundo orden se había medido indirectamente. Pero la observación directa, en el dominio temporal, de la aparición de una fase global a partir de un estado incoherente no se había logrado para ningún sistema BEC, ya fuera atómico, de excitón-polaritón o de magnón.
El resultado también valida que los BEC de cuasipartículas obedecen la misma física de coherencia fundamental que los BEC atómicos, a pesar de ser sistemas disipativos fuera del equilibrio. Esto tiene implicaciones prácticas: los BEC de magnones operan a temperatura ambiente y frecuencias de microondas, lo que los convierte en plataformas potencialmente útiles para el procesamiento de información basado en fase y dispositivos de supercorriente magnónica.
Se aplican varias salvedades. Los BEC de magnones son condensados fuera del equilibrio, existen solo bajo bombeo continuo, lo que difiere de los BEC atómicos en equilibrio. La medición es inductiva, no una medición cuántica directa de la función de onda, y la antena actúa como un filtro espacial que promedia sobre la película. No obstante, la observación es inequívoca: la fase emerge de la nada, elegida por el propio sistema.
Traducido por Alessandra
Source: Koster, M., Schweizer, M.R., Noack, T. et al. “Emergence of phase coherence in a magnon Bose-Einstein condensate.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03373-6