Un equipo de la Universidad de Columbia ha logrado confinar por primera vez ondas de electrones en un metal, un fenómeno que hasta ahora solo se había observado en ondas de luz. El hallazgo, publicado en la revista ‘Science’, abre nuevas vías para manipular los estados cuánticos en materiales metálicos.
Desde que la mecánica cuántica describió por primera vez a las partículas como ondas, como en el caso de los electrones, los investigadores se han preguntado si esas ondas podrían quedar atrapadas en un lugar. Un siglo después, en un artículo que se publica en la revista Science, un equipo de la Universidad de Columbia (EE UU) revela que, por primera vez, han conseguido atrapar ondas de electrones en un metal llamado Pd₅AlI₂.
“La mecánica cuántica predice que una onda de electrones puede, en teoría, permanecer atrapada incluso cuando existen infinitas vías para que escape. Este efecto se conoce en el caso de las ondas de luz, pero nunca se había observado antes en los electrones”, afirma Raquel Queiroz, física teórica de la universidad estadounidense y primera autora del estudio. Así, este descubrimiento abre nuevas posibilidades para manipular los estados cuánticos en los metales.
La mecánica cuántica predice que una onda de electrones puede, en teoría, permanecer atrapada incluso cuando existen infinitas vías para que escape. Este efecto se conoce en el caso de las ondas de luz, pero nunca se había observado antes en los electrones
Los metales, según la teoría clásica, conducen la electricidad porque sus electrones son libres de moverse por todo el material. Hace unos años, investigadores también de la Universidad de Columbia crearon un nuevo metal, el Pd5AlI₂, que puede separarse en capas bidimensionales sin perder sus características metálicas. Sin embargo, sus electrones se movían más lentamente de lo que esperaban.
Este equipo determinó que la forma en que están dispuestos los átomos del Pd5AlI₂ y sus orbitales ofrece a sus electrones trayectorias contrapuestas para ‘saltar’ de un átomo a otro. Estas trayectorias se anulan entre sí, lo que frena a muchos de los electrones. El equipo publicó sus resultados en Nature Physics el año pasado.
En el nuevo estudio, utilizaron instrumentos especializados de escaneo y espectroscopia capaces de obtener imágenes de materiales con precisión a escala atómica. Cuando los usaron en Pd₅AlI₂, vieron una serie de patrones que revelaron que se en él existían ondas de electrones atrapadas cerca de defectos atómicos en la red cristalina del material.
“Los electrones atrapados no deberían darse en un metal, pero sí lo hacen en el Pd₅AlI₂. Lo que hemos observado es la primera prueba clara de que la interferencia cuántica atrapa un estado en un metal”, afirma Queiroz.
La visión clásica de los metales describe a sus electrones conductores como bolas de ping-pong discretas que transportan la corriente de un lugar a otro. Un electrón clásico seguirá una trayectoria bien definida desde el punto A hasta el punto B, pero en mecánica cuántica, el movimiento de los electrones se describe como ondas, que pueden recorrer todas las trayectorias posibles a la vez.
Pero una consecuencia de la mecánica ondulatoria es la interferencia: las ondas pueden interferir entre sí de forma constructiva, lo que aumenta sus posibilidades de llegar del punto A al punto B, o de forma destructiva, lo que suprime su movimiento.
Si hay suficiente interferencia destructiva, puede impedir por completo que una onda de electrones salga del punto A, reteniéndola efectivamente en su lugar en medio de un mar continuo de ondas más amplio. Esto se conoce como ‘estado ligado en el continuo’ (BIC, por sus siglas en inglés).
Aunque es la primera vez que se observa un BIC en un metal, ya se había observado anteriormente en otro mar cuántico: el de la luz. Durante la última década, los investigadores descubrieron cómo grabar materiales con patrones minúsculos capaces de atrapar fotones individuales de luz.
“Atrapar una onda es una idea tan antigua como la propia mecánica cuántica, pero se tardó casi un siglo en descubrir cómo hacerlo con la luz. Ahora lo hemos conseguido con electrones en un material”, dice Xavier Roy, autor líder del estudio. “Y si atrapas una partícula, puedes manipularla”.
Los BIC ópticos han contribuido al avance de la tecnología láser, la detección y la óptica no lineal. Los BIC electrónicos podrían dar lugar algún día a nuevos tipos de sensores cuánticos extremadamente sensibles, mejorar la transferencia y el procesamiento de información en los ordenadores cuánticos y contribuir al avance de la química cuántica.
Atrapar una onda es una idea tan antigua como la propia mecánica cuántica, pero se tardó casi un siglo en descubrir cómo hacerlo con la luz. Ahora lo hemos conseguido con electrones en un material
Pero, mientras que los BIC ópticos pueden diseñarse intencionadamente en los materiales, sus análogos electrónicos son actualmente aleatorios, resultado de defectos que surgen durante el crecimiento del Pd5AlI2 en el laboratorio. Con ese fin, el equipo está explorando formas de introducir deliberadamente defectos en lugares específicos del metal, lo que les permitiría ajustar con precisión los patrones de interferencia resultantes.
Los electrones pueden quedar confinados en materiales aislantes y semiconductores mediante varios métodos. En los semiconductores, estos estados confinados están íntimamente relacionados con el proceso de dopaje, gracias al cual conseguimos que la corriente fluya de forma controlada —la base de todos los chips utilizados hoy en día en los dispositivos informáticos—.
En un metal, la única forma de localizar un electrón es mediante un BIC, lo cual solo puede darse en materiales como el Pd₅AlI₂, que presentan estructuras cristalinas frustradas. Eso significa, según los investigadores, que debería haber otras clases de metales con estructuras similares que pudieran albergar BIC electrónicos.
Así, ahora que este nuevo estudio ha confirmado que las ondas de electrones pueden quedar atrapadas en los metales, y de qué manera, la ciencia dispone de una nueva fórmula de mecánica cuántica para encontrarlas en otros materiales.
Referencia:
Raquel Queiroz et al. Electronic bound states in the continuum in a two-dimensional metal. Science (2026).
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