En el mundo de la física cuántica, donde las reglas desafían al sentido común, un grupo de investigadores de la Universidad de Cornell ha encontrado que, contra todo pronóstico, los electrones pueden preferir quedarse quietos. En materiales cuánticos formados por capas cristalinas que no encajan perfectamente entre sí —conocidos como materiales incommensurables o «misfits»—, se ha descubierto que los electrones no saltan de una capa a otra como antes se creía, sino que tienden a mantenerse en su «hogar».
Para entender esta situación, basta imaginar una torre construida con bloques tipo LEGO. Pero en lugar de tener piezas del mismo tipo, se combinan bloques con rejillas cuadradas con otros de rejilla hexagonal. Esta combinación irregular impide que las capas se alineen perfectamente, generando un desajuste que, durante años, se interpretó como una posible causa para que los electrones cambiaran de capa. Sin embargo, el nuevo estudio demuestra que este salto entre niveles no ocurre en la magnitud esperada.
El mito del salto electrónico
Durante mucho tiempo, se asumió que ciertas observaciones experimentales, como el aumento en la cantidad de electrones de alta energía en una de las capas, significaban que los electrones estaban cruzando de una capa a otra. Esa lectura directa de los datos se basaba en cambios observados en las llamadas bandas de energía, que parecían delatar un traspaso entre materiales. Pero esta interpretación estaba incompleta.
Los investigadores, liderados por Tomás Arias y con la participación del estudiante de doctorado Drake Niedzielski, utilizaron un nuevo método computacional para analizar a fondo lo que en realidad estaba ocurriendo. Lo que hallaron fue que la mayor parte de los electrones permanecía dentro de sus propias capas. La aparente transferencia era, en realidad, una consecuencia de una reordenación electrónica interna, causada por los enlaces químicos entre las capas desajustadas.
Este hallazgo implica que la estructura local de cada capa influye más que el desajuste global. Los electrones, al interactuar sobre todo con su entorno inmediato, reorganizan sus niveles de energía sin necesidad de desplazarse a otra capa. Es como si, en lugar de mudarse a una casa vecina, una persona decidiera simplemente redecorar su propia sala para sentirse más cómoda.
MINT-Sandwich: el cálculo de lo imposible
El descubrimiento fue posible gracias a un nuevo enfoque computacional bautizado como MINT-Sandwich, diseñado para analizar con precisión este tipo de sistemas complejos. A diferencia de simulaciones tradicionales que requieren condiciones artificiales como aplicar tensión o forzar alineaciones, este método permite realizar lo que los investigadores llaman un «experimento dentro del ordenador».
El método no se limita a reproducir una situación idealizada. Calcula desde cero las leyes físicas que rigen el comportamiento de los electrones en estos materiales. Esto permite reconstruir, con detalle microscópico, qué ocurre con cada electrón y dónde está exactamente en la estructura compuesta. Es como poder observar, en cámara lenta y desde todos los ángulos, el comportamiento de cada nadador en una piscina abarrotada, y descubrir que lo que parecía un salto de carril era solo un cambio de ritmo.
De la teoría a las aplicaciones cuánticas
Este hallazgo no es sólo una curiosidad académica. Los materiales incommensurables como los estudiados tienen un papel clave en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas, como la superconductividad, la refrigeración electrónica avanzada y dispositivos que operan con eficiencia a escalas atómicas. Comprender cómo se comportan los electrones dentro de estas estructuras es esencial para diseñar materiales con propiedades personalizadas.
Un ejemplo famoso de estas aplicaciones es el grafeno retorcido en doble capa, que se convierte en superconductor al ser apilado con un ángulo específico. La idea de manipular el comportamiento electrónico mediante la geometría de los materiales ha cobrado impulso en la última década, y el trabajo de Cornell amplía las posibilidades al demostrar que incluso en materiales con fuerte desajuste, hay orden en el caos, si se observa lo suficientemente de cerca.
Ciencia colaborativa y de precisión
Este proyecto fue fruto de una colaboración entre expertos en física, ingeniería y microscopía, incluyendo el equipo de PARADIM en Cornell y científicos de la Universidad Johns Hopkins. Una mención especial recae sobre la fallecida profesora Lena Kourkoutis, cuya labor en imagen criogénica de materiales fue crucial para ubicar con precisión los átomos en las capas desajustadas. Estas imágenes permitieron acelerar los cálculos de Niedzielski y refinar las simulaciones con datos reales.
La combinación de observación experimental, modelado teórico y cálculo computacional muestra cómo la ciencia moderna avanza de forma multidisciplinaria. Este estudio, publicado en Physical Review Letters, redefine la forma en que se interpretan los datos experimentales en materiales complejos y abre nuevas puertas para investigar sistemas atómicos que, hasta ahora, parecían impenetrables desde el punto de vista del modelado.