Publicada en Nature Physics el 25 de noviembre de 2024, la nueva lectura de ARPES revela el patrón espacial de los electrones en el metal kagome CoSn y abre la puerta a dispositivos cuánticos de bajo consumo.
La física de la materia condensada acaba de cruzar una frontera que llevaba décadas resistiéndose. Un consorcio internacional liderado por Riccardo Comin, profesor del MIT, ha logrado medir directamente la geometría cuántica –la “forma” que adopta la función de onda de un electrón cuando se mueve dentro de un cristal– utilizando espectroscopia de fotoemisión angular (ARPES) con resolución de polarización y espín. El experimento, realizado entre el sincrotrón italiano Elettra y el Advanced Light Source de Berkeley, quedó plasmado en Nature Physics el 25 de noviembre de 2024. Es la primera vez que esa propiedad deja de ser un cálculo teórico para convertirse en un número de laboratorio.
¿Qué es la geometría cuántica?
En el lenguaje cotidiano, describimos un electrón por su energía o su velocidad. Sin embargo, a escala cuántica también cuenta su geometría: los patrones que dibuja su onda de probabilidad mientras recorre un sólido. Esa geometría gobierna fenómenos tan exóticos como la superconductividad sin resistencia o el llamado efecto Hall no lineal. Hasta ahora solo podía inferirse, nunca medirse. Con la nueva técnica, esas conjeturas se convierten en datos y ofrecen un mapa completo del tensor geométrico cuántico (TGC), que combina la curvatura de Berry y la métrica cuántica.
Una radiografía con luz extrema
El grupo de Comin afinó la ARPES tradicional añadiendo luz polarizada circular y detectores de espín. Al disparar fotones sobre el cristal, los electrones salen despedidos y la instrumentación registra su ángulo, momento y orientación magnética. Con esos tres números para millones de eventos, el equipo reconstruyó pixel a pixel la curvatura de la función de onda en todo el espacio de momentos. “Hemos dibujado un plano que antes era completamente en blanco”, resume el autor principal, Mingu Kang, ahora en Cornell.
El exótico tablero de triángulos CoSn
La prueba de fuego se hizo sobre CoSn, un metal kagome: su red atómica reproduce los triángulos entrelazados de los cestos japoneses kagome. Esa geometría cristalina obliga a los electrones a moverse en bandas planas donde interaccionan de forma poco habitual. Era el candidato perfecto para cazar efectos geométricos fuertes. Los mapas obtenidos revelan zonas con “curvaturas enormes” que podrían explicar por qué los electrones se sincronizan y, en ciertos compuestos kagome, llegan a superconductar a temperaturas relativamente altas.
De la teoría al componente
Con el TGC experimental en la mano, los ingenieros podrán predecir y ajustar la respuesta eléctrica, magnética u óptica de un material antes de sintetizarlo. Entre las aplicaciones más inmediatas destacan:
- Bits cuánticos sólidos con estados electrónicos más estables.
- Sensores ultrafinos cuyo voltaje varía según la curvatura local de Berry.
- Interconexiones superconductoras que reducirían drásticamente las pérdidas de energía en centros de datos y redes eléctricas.
Lo que viene
El siguiente paso será extender la técnica a semiconductores bidimensionales, óxidos correlacionados y superredes retorcidas, materiales donde la geometría cuántica se cree aún más dramática. Paralelamente, los teóricos trabajan en algoritmos que transformen los mapas de TGC en predicciones de temperatura crítica o eficiencia fotoeléctrica. Cada nuevo dato acerca la electrónica de consumo a la era cuántica y hace del electrón un aliado, no un misterio.
Con esta primera “fotografía” de la forma electrónica, la comunidad dispone de un manual de instrucciones para diseñar la materia a la carta. El laboratorio ya no se limita a medir lo que existe; ahora puede esculpir las propiedades cuánticas que el futuro necesita.