ESTADOS DE LA MATERIA

Introducción

El estudio de los estados de la materia ha evolucionado desde la clasificación clásica en sólido, líquido y gas hacia un panorama mucho más amplio, en el que la física cuántica y la física de altas energías revelan fases exóticas con propiedades contraintuitivas. Estos estados emergen no solo por la disposición espacial de las partículas, sino por las simetrías que gobiernan sus interacciones y, sobre todo, por las rupturas de simetría que dan lugar a órdenes colectivos imposibles de anticipar a partir del comportamiento de partículas aisladas.

Así, un sólido cristalino se caracteriza por la ruptura de la simetría traslacional espacial, mientras que un condensado de Bose-Einstein (BEC) rompe la simetría de fase global, generando coherencia cuántica a escala macroscópica. El abanico se amplía aún más cuando se consideran estados bajo condiciones extremas, como el plasma de quarks y gluones (QGP), recreado en colisionadores de partículas y representativo de las primeras fracciones de segundo tras el Big Bang, o los condensados de Fermi, relevantes para entender el interior de las estrellas de neutrones.

Otros estados, como el supersólido, combinan propiedades aparentemente excluyentes —rigidez de sólido y superfluidez líquida—, mientras que los cristales de tiempo rompen la simetría temporal de manera tan profunda que cuestionan nuestra comprensión de la periodicidad en la naturaleza. En paralelo, las transiciones de fase entre estados cuánticos exóticos ofrecen un marco privilegiado para explorar cómo emergen nuevos parámetros de orden y cómo se manifiestan en el comportamiento colectivo de la materia.

Finalmente, el diseño de experimentos para observar directamente estas fases, en particular la creación y detección de un condensado de Bose-Einstein en gases atómicos ultra fríos, representa uno de los logros más notables de la física moderna, al permitir acceder en laboratorio a regímenes donde las leyes de la mecánica cuántica gobiernan a escala macroscópica.

Este artículo abordará seis ejes fundamentales:

1. Comparación entre estados con órdenes diferentes (sólido cristalino y BEC).
2. Estados de la materia bajo condiciones extremas y su relevancia cosmológica.
3. El supersólido como caso híbrido de orden dual.
4. Los cristales de tiempo y la ruptura de simetría temporal.
5. Las transiciones de fase entre estados exóticos.
6. El diseño experimental de un BEC en átomos ultrafríos.

El objetivo es ofrecer una visión integral y crítica que muestre cómo los estados de la materia constituyen un campo donde la física de muchos cuerpos, las simetrías y la emergencia de propiedades colectivas se entrelazan para ampliar nuestra comprensión del universo.

1. Análisis comparativo y propiedades emergentes

El contraste entre un sólido cristalino y un condensado de Bose-Einstein (BEC) permite ilustrar cómo distintas formas de orden y ruptura de simetrías generan propiedades macroscópicas radicalmente diferentes.

Orden microscópico: posicional frente a de fase

En un sólido cristalino, los átomos u iones ocupan posiciones periódicas en una red, estableciendo orden posicional de largo alcance. Esta organización se refleja en los picos de Bragg de la difracción de rayos X, indicativos de correlaciones espaciales estables.
Por el contrario, un BEC carece de estructura posicional rígida. En este caso, el orden surge de la ocupación macroscópica de un único estado cuántico, lo que establece orden de fase global. Matemáticamente, esto se traduce en el fenómeno conocido como orden fuera de la diagonal de largo alcance (ODLRO), donde la función de correlación de un solo cuerpo se mantiene finita incluso a grandes distancias.

Simetrías y rupturas asociadas

El sólido cristalino rompe la simetría traslacional continua de la materia libre, reduciéndola a la simetría discreta del retículo. La consecuencia de esta ruptura es la aparición de modos colectivos sin gap (fonones), responsables de propiedades como la elasticidad o la capacidad de transmitir vibraciones mecánicas.
En el BEC, la ruptura es de la simetría global U(1), relacionada con la conservación de la fase de la función de onda. De esta ruptura emergen excitaciones de fase que se manifiestan como superfluidez y en fenómenos como la interferencia coherente entre condensados.

Propiedades emergentes imposibles de reducir a una partícula aislada

En un sólido cristalino, la existencia de rigidez elástica y la propagación de ondas acústicas no se deducen del comportamiento de un único átomo: requieren del acoplamiento colectivo de la red entera.
En un BEC, la coherencia cuántica macroscópica permite que miles o millones de partículas actúen como una sola onda cuántica. Esto conduce a efectos sin análogo en sistemas individuales, como la cuantización de vórtices o la persistencia de corrientes sin fricción.

En conclusión, el sólido cristalino y el BEC representan dos arquetipos de orden colectivo: el primero basado en posiciones y simetría espacial, el segundo en fases y simetría cuántica. Ambos casos muestran que las propiedades emergentes de la materia no se entienden a partir de partículas aisladas, sino de la interacción cooperativa de muchas partículas bajo principios de simetría y su ruptura.

2. Condiciones extremas y relevancia cosmológica

Los estados de la materia en condiciones extremas revelan aspectos fundamentales de la física de partículas y del cosmos. Dos ejemplos paradigmáticos son el plasma de quarks y gluones (QGP) y el condensado de Fermi, que representan regímenes opuestos de temperatura y densidad.

Condiciones de creación y comportamiento de los fermiones

El QGP se forma a temperaturas del orden de 10¹² K, alcanzables en colisionadores como el LHC (CERN) o el RHIC (Brookhaven). En este estado, los quarks y gluones, habitualmente confinados en hadrones, se comportan como un fluido fuertemente acoplado con viscosidad extremadamente baja. Es una manifestación de la desconfinación de color, predicha por la Cromodinámica Cuántica (QCD).
En contraste, el condensado de Fermi aparece a temperaturas ultra-bajas y altas densidades, donde los fermiones se emparejan en pares de Cooper mediante interacciones atractivas débiles, adquiriendo un comportamiento colectivo similar al de bosones. A diferencia del QGP, aquí domina el régimen de coherencia cuántica y correlación a bajas energías.

Relevancia cosmológica y astrofísica

El QGP es clave para comprender el universo primitivo: se cree que existió durante los primeros microsegundos tras el Big Bang, antes de que los quarks quedaran confinados en protones y neutrones. Su estudio experimental permite recrear, a escalas microscópicas, condiciones que definieron la evolución temprana del cosmos.
El condensado de Fermi, por su parte, encuentra su análogo en la materia nuclear densa de las estrellas de neutrones, donde neutrones altamente degenerados pueden formar fases superfluidas. Este estado influye en fenómenos como la disipación de calor estelar, la dinámica rotacional de los púlsares o la emisión de ondas gravitacionales por inestabilidades internas.

Marcos teóricos necesarios

Ni el QGP ni el condensado de Fermi pueden describirse dentro de la física clásica.

• El QGP exige la QCD como teoría de gauge no abeliana, donde la libertad asintótica y la confinación emergen de manera no perturbativa.
• El condensado de Fermi requiere la estadística de Fermi-Dirac y la teoría de campos cuánticos de muchos cuerpos (teoría de BCS generalizada).

Ambos casos ilustran que los estados extremos de la materia son ventanas a la física fundamental: el QGP hacia el origen del universo y el condensado de Fermi hacia los objetos más densos de la astrofísica contemporánea.

3. El supersólido como estado híbrido contraintuitivo

El supersólido representa uno de los estados más sorprendentes de la materia, al combinar simultáneamente propiedades características de los sólidos y de los líquidos superfluidos. Esta coexistencia de orden posicional rígido y flujo sin fricción constituye un ejemplo paradigmático de cómo la ruptura de simetrías en mecánica cuántica puede dar lugar a fenómenos aparentemente contradictorios.

Ruptura de simetría espontánea en doble manifestación

La noción de ruptura espontánea de simetría describe cómo un sistema adopta un estado ordenado que no refleja toda la simetría de las leyes que lo gobiernan. En un supersólido aparecen dos rupturas distintas:

• Simetría traslacional espacial: se rompe al establecerse un retículo cristalino con posiciones definidas, como en un sólido convencional.
• Simetría de gauge global U(1): asociada a la conservación del número de partículas, cuya ruptura da lugar al orden de fase cuántico que caracteriza a los superfluidos.

El supersólido, por tanto, es un estado en el que coexisten dos órdenes independientes y entrelazados.

Reconciliación de rigidez y superfluidez

Lo que hace único al supersólido es que las partículas, aunque ancladas en posiciones promedio de un retículo, mantienen una coherencia cuántica de largo alcance que les permite fluir colectivamente sin viscosidad. En este sentido, la densidad del sistema presenta una modulación espacial (carácter sólido) y, al mismo tiempo, la función de onda macroscópica conserva fase bien definida (carácter superfluido).
Desde el punto de vista microscópico, se trata de un compromiso entre localización parcial y delocalización cuántica, posible solo en sistemas con interacciones fuertemente correlacionadas a bajas temperaturas.

Análogo clásico y sus limitaciones

Un análogo clásico —aunque imperfecto— puede encontrarse en un cristal atravesado por defectos móviles (vacantes o dislocaciones) que permiten cierta movilidad de átomos. En este modelo imaginario, parte del sólido mantiene rigidez, mientras que otra parte se desplaza. Sin embargo, esta imagen resulta insuficiente, ya que no reproduce la coherencia de fase cuántica ni la ausencia total de fricción que son esenciales en un supersólido real.

En suma, el supersólido ilustra cómo la física cuántica puede dar lugar a fases híbridas que trascienden las categorías clásicas, y que solo pueden entenderse desde la interacción entre simetrías rotas y orden colectivo emergente.

4. Los cristales de tiempo y la ruptura de simetría temporal

El concepto de cristal de tiempo representa una extensión radical de la noción de orden en la materia. Mientras que un sólido convencional rompe la simetría de traslación espacial al organizar sus partículas en una red periódica, un cristal de tiempo rompe la simetría de traslación temporal, mostrando periodicidad en su estado fundamental.

Periodicidad en equilibrio vs periodicidad en el estado fundamental

Un sistema clásico como un péndulo oscila de manera periódica, pero lo hace en virtud de un suministro constante de energía y siempre lejos de su estado de mínima energía. En cambio, un cristal de tiempo presenta oscilaciones periódicas en su estado fundamental, es decir, sin requerir energía externa. Esta distinción es crucial: introduce la idea de que la materia puede presentar un orden periódico no solo en el espacio, sino también en el tiempo, lo que constituye un nuevo paradigma en física de fases.

Ruptura de simetría temporal y compatibilidad con la termodinámica

En un cristal de tiempo, la ruptura de simetría temporal se manifiesta como un patrón repetitivo y estable en la evolución del sistema, incluso bajo excitación mínima. Sin embargo, este comportamiento no viola la segunda ley de la termodinámica, ya que los cristales de tiempo conocidos no son sistemas de equilibrio puro: suelen encontrarse en el marco de sistemas cuánticos de muchos cuerpos sometidos a conducción periódica externa (Floquet systems). La periodicidad observada corresponde a un múltiplo entero del periodo de la excitación, lo que indica un orden colectivo emergente.

Desafíos experimentales

La creación y observación de cristales de tiempo presenta varias dificultades:

1. Aislamiento cuántico: es necesario proteger el sistema de la decoherencia ambiental, que destruiría la periodicidad emergente.
2. Control de muchos cuerpos: los cristales de tiempo requieren sistemas altamente correlacionados (iones atrapados, espines en materiales cuánticos), cuya dinámica colectiva es delicada de manipular.
3. Distinción clara de la señal: es fundamental demostrar que la periodicidad observada no es simple resonancia clásica, sino un fenómeno genuinamente cuántico y robusto en el estado fundamental.

Los avances recientes en cadenas de iones atrapados y en sistemas de espines en diamante han proporcionado evidencias experimentales sólidas de cristales de tiempo discretos, confirmando que la ruptura de simetría temporal no es solo una propuesta teórica, sino un fenómeno físico real.

En conclusión, los cristales de tiempo amplían el marco conceptual de la materia al mostrar que el orden emergente no se limita a estructuras espaciales, sino que puede extenderse a la dimensión temporal, abriendo una nueva frontera en la física de estados cuánticos colectivos.

5. Transiciones de fase entre estados exóticos

Las transiciones de fase son un marco privilegiado para entender cómo emergen órdenes colectivos a partir de simetrías fundamentales. La transición entre un superfluido (como el helio-4 líquido a temperaturas ultrabajas) y un supersólido constituye un caso singular en el que se combinan propiedades tradicionalmente excluyentes.

Parámetros de orden en superfluido y supersólido

• En un superfluido, el parámetro de orden está asociado a la coherencia de fase global de la función de onda macroscópica. Su valor distinto de cero indica ruptura de la simetría de gauge U(1).
• En un supersólido, además del orden de fase, surge un orden posicional cristalino que rompe la simetría traslacional espacial. Por tanto, en este caso coexisten dos parámetros de orden: uno de fase y otro de densidad modulada.

En la transición, se espera que el parámetro de orden de fase persista mientras emerge gradualmente el orden posicional, señalando la aparición de la rigidez cristalina.

Naturaleza de la transición de fase

El paso de superfluido a supersólido se interpreta como una transición de fase cuántica, ya que ocurre a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde las fluctuaciones cuánticas dominan sobre las térmicas. Se trata de una transición de segundo orden, pues se añade una simetría rota (traslacional) a la ya existente (de fase), y no hay discontinuidad en la energía libre, sino un cambio continuo en los parámetros de orden.

Este carácter contrasta con las transiciones de primer orden, como la de sólido a líquido convencional, donde existe coexistencia de fases y liberación abrupta de energía latente.

Comparación con la transición sólido–líquido convencional

En una transición sólido → líquido:

• El sólido rompe la simetría traslacional, mientras que el líquido la recupera, resultando en desorden posicional.
• El proceso suele ser de primer orden, con coexistencia de fases y un salto en la entropía.

En la transición superfluido → supersólido:

• No hay una simple recuperación de simetría, sino la aparición de un orden adicional que se superpone al ya existente.
• Se trata de una transición híbrida, donde la coherencia cuántica del superfluido se conserva, mientras emerge la periodicidad del sólido.

En resumen, mientras la transición convencional implica pérdida de orden, la transición hacia un supersólido implica ganancia simultánea de un nuevo orden, lo que resalta su carácter singular dentro del marco de la física de fases cuánticas.

6. Diseño experimental para observar un condensado de Bose-Einstein (BEC)

1) Tres etapas principales: principio físico y función

a) Enfriamiento por láser y atrapamiento (MOT + molasses)

• Principio: presión de radiación y enfriamiento Doppler (desintonía roja respecto a la transición atómica) más polarización/gradiente magnético para el Magneto-Optical Trap (MOT). Las fuerzas dependientes de la velocidad reducen la energía cinética; las bobinas anti-Helmholtz crean un gradiente que recentra los átomos.
• Objetivo: llevar el gas desde temperaturas de sala a ∼100–300 μK, con densidades de ~10⁹–10¹¹ cm⁻³. Tras el MOT, un breve optical molasses (sin campo magnético) puede empujar por debajo del límite Doppler (enfriamiento sub-Doppler por mecanismos de bombeo óptico y estructura de subniveles Zeeman).

b) Transferencia a trampa conservativa y enfriamiento evaporativo

• Principio: se requiere una trampa que conserve el momento interno y permita colisiones elásticas eficientes para “evaporar” los átomos más energéticos y aumentar la fase-espacio del resto.

 

 

• Implementación:
• Trampa magnética (estados low-field seeking) o trampa dipolar óptica (foco de láser intenso, potencial ∝ intensidad).
• Evaporación: en trampa magnética se baja el “rf-knife” para expulsar átomos calientes; en dipolar se reduce gradualmente la potencia del láser, disminuyendo la profundidad del pozo.
• Objetivo: alcanzar T ≲ 100 nK y densidades suficientes para que la densidad de ocupación cumpla el criterio de condensación: n λ_dB³ ≥ ζ(3/2) ≈ 2.612, donde λ_dB = h/√(2πmk_B T).

c) Detección y caracterización

• Principio: medir distribuciones de momento/densidad y coherencia.
• Técnicas: time-of-flight (TOF) con imagen de absorción; imaging in-situ (fase-contraste/dispersión cercana al desajuste); Bragg spectroscopy para excitaciones colectivas.

 

2) Dos grandes desafíos técnicos hacia los nanokelvin y la estabilidad del BEC

i) Colisiones y pérdidas: balance entre térmicas, elásticas y recombinación a tres cuerpos

• Se necesitan colisiones elásticas suficientes para una evaporación eficiente (retermalización rápida), lo que depende del longitud de dispersión s-wave (a_s).
• Pero densidades altas favorecen pérdidas por recombinación de tres cuerpos (∝ n² a_s⁴), que calientan y vacían la trampa.
• Mitigación: ajustar a_s mediante resonancias de Feshbach (campo magnético) a un régimen que optimice elasticidad/pérdidas; controlar la trayectoria de evaporación para evitar cuellos de botella.

ii) Ruido técnico y decoherencia

• Inestabilidades en potencia láser (trampa dipolar), ruido de campos magnéticos, vibraciones mecánicas y calentamiento por luz espuria destruyen la compresión de fase-espacio.
• Mitigación: láseres estabilizados en potencia y frecuencia, aislamiento vibracional, blindaje magnético, control activo de temperatura y de fuentes de luz parásitas; perfiles de potencia de evaporación exponenciales/logarítmicos cuidadosamente optimizados.

(Otros retos frecuentes: “Majorana losses” en trampas cuadrupolares magnéticas —se evitan con trampas Ioffe-Pritchard o bias fields—, y heating por scattering espontáneo en trampas ópticas —se minimiza elevando el detuning y optimizando la intensidad.)

 

3) Técnica de detección propuesta y firma experimental inequívoca

Time-of-Flight (TOF) con imagen de absorción

1. Se apaga súbitamente la trampa y el gas se expande balísticamente durante un tiempo t_{TOF} controlado.
2. Se ilumina con un haz resonante y se registra la sombra de absorción en una cámara CCD/CMOS.

Firma del BEC (bimodalidad y anisotropía):

• Distribución bimodal en la densidad proyectada:
• Un pico estrecho (perfil cercano a Thomas–Fermi) que corresponde al condensado con anchuras que no siguen una gaussiana térmica.
• Un fondo térmico de anchura amplia con perfil aproximadamente gaussiano.
• Anisotropía de expansión: el condensado invierte anisotropías por el papel de la energía de interacción (expansión más rápida en la dirección inicialmente más confinada), rasgo ausente en gases térmicos.
• Fracción condensada vs T: la fracción en el pico crece bruscamente al cruzar la temperatura crítica, permitiendo trazar N_0/N(T) y confirmar el umbral de condensación.

Firmas complementarias (opcional):

• Interferencia entre dos condensados liberados (franjas de alta visibilidad → coherencia de fase global).
• Bragg spectroscopy: respuesta colectiva con modo de baja energía lineal (sonido) característico del superfluido; medida de velocidad crítica coherente con criterio de Landau.

En conjunto, un protocolo MOT → trampa conservativa → evaporación optimizada, combinado con TOF de alta relación señal-ruido, proporciona una demostración robusta e inequívoca del BEC: bimodalidad con núcleo no térmico, anisotropía de expansión y escalado de fracción condensada con la temperatura y el número de átomos.

Conclusión general

El estudio de los estados de la materia constituye un puente entre la física clásica y la cuántica, entre la materia cotidiana y las fases exóticas que solo emergen bajo condiciones extremas. A lo largo de este artículo hemos visto que el concepto de estado de la materia no se reduce a la disposición espacial de las partículas, sino que se fundamenta en la ruptura de simetrías y en la aparición de propiedades colectivas emergentes.

El análisis comparativo entre un sólido cristalino y un condensado de Bose-Einstein mostró cómo órdenes de naturaleza distinta —posicional y de fase— generan propiedades macroscópicas únicas como la rigidez elástica o la superfluidez. La exploración del plasma de quarks y gluones y de los condensados de Fermi reveló que, en condiciones de temperatura y densidad extremas, la materia alcanza regímenes donde la descripción clásica fracasa y es necesario recurrir a la Cromodinámica Cuántica o a la estadística cuántica de muchos cuerpos.

El supersólido y los cristales de tiempo ejemplificaron cómo la materia puede combinar órdenes aparentemente incompatibles o extender la ruptura de simetrías a la dimensión temporal, cuestionando los límites de nuestra comprensión tradicional de las fases. Asimismo, el análisis de transiciones entre estados exóticos puso de relieve que, a diferencia de las transiciones convencionales, estas no siempre implican pérdida de orden, sino que pueden representar la coexistencia y superposición de simetrías rotas.

Finalmente, el diseño experimental del BEC evidenció cómo la física contemporánea ha alcanzado la capacidad de crear en laboratorio estados cuánticos macroscópicos que antes eran puramente teóricos. La confirmación empírica de estas fases abre un camino para la ingeniería de nuevos materiales y para aplicaciones en campos tan diversos como la computación cuántica, la metrología de alta precisión y la astrofísica.

En conjunto, los estados de la materia —clásicos y exóticos— constituyen un campo en el que la interacción entre teoría, simulación y experimentación revela no solo nuevas propiedades materiales, sino también principios universales sobre cómo emerge el orden en la naturaleza.