Físicos del MIT observan cómo los electrones de un material cuántico toman dos caminos distintos de regreso al orden
En el interior de una lámina de un material de tierras raras enfriado a unos 230 grados Celsius bajo cero (382 grados Fahrenheit bajo cero), dos patrones rivales de electrones fueron destruidos por un pulso láser y luego filmados mientras se reconstruían. La sorpresa: los dos patrones regresaron de maneras completamente distintas. Uno se reensambló de forma suave, onda tras onda, en toda la muestra. El otro brotó en parches aislados que se extendieron lentamente. El resultado, publicado en Nature Physics, ofrece una mirada directa poco común a cómo emergen los órdenes electrónicos rivales en los materiales cuánticos.
La investigación proviene del laboratorio de Nuh Gedik, quien ostenta la cátedra Donner de física del MIT, y fue difundida por MIT News el 7 de agosto y cubierta por Interesting Engineering el 9 de agosto.
Un tablero de ajedrez oculto en un cristal
El material es el tritelururo de erbio, un compuesto de tierras raras que puede cultivarse en láminas de grosor atómico. Sus electrones normalmente se encuentran dispersos y uniformes, pero el enfriamiento los reorganiza en patrones ondulados y repetitivos conocidos como ondas de densidad de carga, en los que las regiones de alta concentración de electrones alternan con regiones de baja concentración.
El tritelururo de erbio alberga dos de estas ondas. La primera, descrita como el orden dominante, se forma alrededor de 8 grados Celsius bajo cero (18 grados Fahrenheit) y se extiende en una dirección. Si se enfría más el material, hasta unos 113 grados Celsius bajo cero (171 grados Fahrenheit bajo cero), se desarrolla una segunda onda, más débil, perpendicular a la primera. Los dos patrones ocupan simultáneamente el mismo cristal, lo que produce lo que los investigadores denominan un tablero de ajedrez electrónico.
Durante décadas, los físicos han debatido cómo llega a formarse realmente el más débil de los dos órdenes. ¿Aparece en todas partes a la vez, o comienza en algún lugar y crece?
Agitar y luego escuchar
Para averiguarlo, el equipo enfrió muestras de grosor atómico, sintetizadas por colaboradores de Stanford, hasta unos 230 grados Celsius bajo cero (382 grados Fahrenheit bajo cero), lo bastante frías como para que ambas ondas coexistieran. Luego golpearon cada muestra con un par de pulsos láser cuidadosamente secuenciados.
El primer pulso, la sacudida, desordenó o borró brevemente el patrón de tablero de ajedrez. Un segundo pulso, disparado tras un retraso precisamente medido, expulsó electrones del material; la lectura de la energía y el momento de cada partícula expulsada permitió al equipo ensamblar una imagen fotograma a fotograma del orden electrónico reconstruyéndose.
La técnica, que Gedik describe como agitar el sistema y luego escuchar su respuesta, permitió al equipo observar la recuperación de las dos fases por separado, algo que antes había sido sumamente difícil.
La recuperación no fue uniforme en absoluto. La onda de densidad de carga dominante regresó de forma gradual y pareja, reconstruyéndose en toda la muestra de la manera suave y continua que los libros de texto de física esperan de una transición de fase electrónica, como agua líquida que se calienta de manera uniforme hasta convertirse en vapor.
La onda subdominante se comportó de forma completamente distinta. En lugar de emerger en todas partes, apareció primero en bolsas localizadas que luego se expandieron hacia afuera, más parecido a agua líquida que cristaliza en hielo. Ese patrón, nucleación seguida de crecimiento, es la firma de una transición de primer orden, y responde a una pregunta que llevaba años abierta sobre cómo se establece el orden más débil.
Por qué importa
Las ondas de densidad de carga importan porque son un fenómeno colectivo mucho más simple que los estados exóticos que los físicos quieren comprender en última instancia. La superconductividad, en la que los electrones se emparejan y se deslizan sin resistencia, y las diversas formas de magnetismo implican múltiples fases electrónicas coexistiendo e interactuando dentro de un mismo material. Si la forma en que esas fases se forman e interactúan es la clave de sus propiedades, entonces observar cómo un sistema más simple de dos fases se reconstruye es un paso hacia el desciframiento de los más difíciles.
Los primeros autores del estudio son Yifan Su y Bai-Qing Lv, con coautores como Dongsung Choi, Doron Azoury y Masataka Mogi. Alfred Zong, colíder del proyecto durante sus años en el MIT, ahora enseña en Stanford. La financiación provino del Departamento de Energía de Estados Unidos, la Fundación Nacional de la Ciencia y la iniciativa EPiQS de la Fundación Moore.
Los hallazgos aparecen en Nature Physics, enmarcados como la identificación en el dominio del tiempo de mecanismos distintos detrás de los dos órdenes de onda de densidad en competencia en el material (DOI 10.1038/s41567-026-03382-5).
Traducido por Alessandra