Por César Ordóñez, Hugo A. Lara, Arturo Camacho y Giuseppe Pirruccio
Cuando millones de partículas cuánticas idénticas se sincronizan, ocupan colectivamente un mismo estado y se comportan como una sola partícula, emerge uno de los fenómenos más fascinantes de la física moderna: la condensación Bose-Einstein, también conocido como el quinto estado de la materia.
En la década de 1920, los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron que, a temperaturas extremadamente bajas, los átomos podrían comportarse de manera colectiva y formar una nueva fase de la materia, distinta de los estados sólido, líquido, gaseoso y plasma.
Décadas después, en 1995, los físicos Eric Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl Wieman lograron producirla por primera vez. Este nuevo estado fue llamado condensado de Bose-Einstein, en honor a quienes predijeron su existencia. El hallazgo les valió el Premio Nobel de Física en 2001.
Hoy, los científicos buscan reproducir este comportamiento colectivo mediante sistemas híbridos de luz y materia, que pueden formarse incluso a temperatura ambiente, sin necesidad de enfriar los átomos hasta casi el cero absoluto.
A través de un nuevo estudio, un equipo del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) observó la formación de un condensado polaritónico, es decir, un estado en el que millones de cuasipartículas —que combinan propiedades de la luz y la materia— actúan de forma sincronizada, como si fueran una sola.
Además, se detectaron pequeños remolinos cuánticos, llamados vórtices cuantizados, dentro de un microcristal de perovskita de cesio-plomo-bromo (CsPbBr₃), un material semiconductor que emite una intensa luz verde y puede sintetizarse mediante métodos relativamente simples y de bajo costo.
Polaritón: una mezcla de luz y materia
En pocas palabras, un polaritón es una cuasipartícula que aparece cuando la luz y la materia interactúan tan fuerte que se comportan como un solo sistema.
Surge cuando una forma de comportamiento de la luz dentro de un material —conocida como modo óptico— interactúa fuertemente con un excitón, es decir, un estado en el que un electrón de un semiconductor absorbe energía y queda ligado a un hueco que se genera en el material.
Como consecuencia de este acoplamiento, emerge un nuevo estado híbrido con componentes tanto fotónicos (relacionados con la luz) como excitónicos (relacionados con las propiedades electrónicas del material). Así, el polaritón no es ni luz ni materia, sino una combinación de ambas que puede comportarse como una sola entidad.
Gracias a la masa efectiva extremadamente pequeña heredada de la luz, los polaritones pueden alcanzar estados colectivos coherentes a temperaturas mucho más elevadas que las requeridas para los condensados atómicos convencionales.
Para generar estos estados en el laboratorio, se utilizaron microcristales cuadrados de CsPbBr₃ de entre 2 y 4 micrómetros de lado, sintetizados mediante deposición química en fase vapor.
La geometría del cristal permite que funcione como una microcavidad óptica, una especie de trampa para la luz. En su interior, la luz queda confinada y circula repetidamente por los bordes del cristal mediante reflexiones internas, un fenómeno conocido como whispering-gallery (“galería de los susurros”), que ocurre tanto con ondas sonoras como con ondas de luz cuando estas se propagan a lo largo de una superficie curva mediante reflexiones sucesivas.
Al permanecer confinada, la luz tiene más oportunidades de interactuar con los excitones del material. Esta interacción da lugar a los polaritones y, bajo determinadas condiciones, puede hacer que se acumulen en un mismo estado cuántico y formen un condensado.
Del caos al orden
Posteriormente, se iluminaron los microcristales utilizando pulsos láser ultrarrápidos de aproximadamente 100 femtosegundos de duración y analizaron la luz emitida conforme aumentaba gradualmente la potencia de excitación.
Por debajo de una potencia umbral, la emisión es débil e incoherente. Sin embargo, al superar dicho umbral, la intensidad luminosa aumenta de forma abrupta y no lineal, el espectro de emisión se estrecha considerablemente y la población de polaritones se concentra en estados específicos del sistema.
La presencia de estas características —como la sincronización colectiva de los polaritones y la aparición de vórtices cuantizados— es una de las principales evidencias experimentales de la condensación polaritónica.
Para confirmar que se formó el condensado polaritónico, el equipo buscó señales que indicaran el paso de un comportamiento desordenado a un estado colectivo y sincronizado. Una de ellas fue una corrida azul de la energía emitida, un cambio hacia frecuencias más altas provocado por la interacción entre los propios polaritones.
También observamos que, al superar una cantidad crítica de estas cuasipartículas, conocida como umbral de condensación el sistema comenzó a emitir luz de manera mucho más rápida.
En conjunto, estas señales muestran que los polaritones dejaron de comportarse como partículas independientes y comenzaron a actuar como una sola entidad cuántica, una característica fundamental de la condensación polaritónica.
Remolinos de luz: los vórtices cuánticos
Uno de los aspectos más relevantes del estudio fue comprobar cómo estaba organizado el condensado dentro del cristal. Para ello, utilizamos un interferómetro de Michelson modificado, un instrumento que permite comparar la luz emitida por el condensado con una copia reflejada de sí misma.
El patrón resultante mostró franjas de interferencia claramente visibles a lo largo de todo el microcristal, lo que indicaba que los polaritones mantenían una sincronización espacial a gran escala. Esta coherencia es una de las características que distinguen a un condensado polaritónico de un conjunto de partículas que se comportan de manera independiente.
En otras palabras, el experimento mostró que millones de estas cuasipartículas podían conservar el mismo ritmo colectivo dentro de un cristal diminuto.
Sin embargo, las imágenes también revelaron unas estructuras con forma de horquilla, una señal característica de la presencia de vórtices cuantizados. Estos vórtices son pequeños remolinos cuánticos que aparecen cuando el estado colectivo de los polaritones presenta una alteración localizada.
Alrededor de ellos, la fase de la onda cuántica cambia de manera continua hasta completar una vuelta de 360 grados (±2π), como si el sistema diera una vuelta completa sobre sí mismo.
Se observó que estos vórtices aparecían en pares: un vórtice y un antivórtice con giros opuestos, de manera similar a dos remolinos que circulan en direcciones contrarias. Lo más sorprendente es que surgieron de forma espontánea, sin aplicar una fuerza externa para hacer girar el sistema. Su aparición fue resultado de la combinación entre la forma del microcristal, la necesidad del condensado de intercambiar energía con su entorno y las pequeñas irregularidades del material.
El desorden como aliado
En la mayoría de los dispositivos fotónicos, las imperfecciones estructurales suelen considerarse indeseables. En este sistema, sin embargo, el desorden desempeña un papel constructivo.
Las irregularidades del microcristal modifican localmente el paisaje de energía de la cavidad, favoreciendo la formación de regiones donde el condensado tiende a localizarse y donde los vórtices pueden estabilizarse. Al mismo tiempo, estas imperfecciones permiten que parte de la luz confinada escape al exterior, lo que hace posible observar la dinámica interna del sistema.
Esta característica permite estudiar directamente los vórtices que se forman dentro del condensado.
En otras palabras, el desorden no sólo influye en la formación de los vórtices, sino que también facilita su detección. Lejos de ser un obstáculo, se convierte en un elemento esencial para comprender la física del condensado.
Este trabajo consolida a las microcavidades de perovskita autoensambladas como una plataforma prometedora para el estudio de fluidos cuánticos de luz a temperatura ambiente, lo que abre nuevas oportunidades para la investigación experimental de fenómenos cuánticos colectivos.
A largo plazo, la comprensión de estos sistemas podría contribuir al desarrollo de dispositivos polaritónicos basados en coherencia cuántica, así como el desarrollo de tecnologías fotónicas sin necesidad de sistemas de enfriamiento.
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Referencia
Montagnac, M.; García Jomaso, Y. A.; Robledo Ibarra, E.; Sánchez-Martínez, R.; Santiago García, M.; Ordóñez-Romero, C. L.; Lara-García, H. A.; Camacho-Guardian, A.; Pirruccio, G. Macroscopic coherence and vorticity in room-temperature polariton condensate confined in a self-assembled perovskite microcavity. ACS Photonics (2026).
Autores
César Ordóñez, Hugo A. Lara García, Arturo Camacho Guardian y Giuseppe Pirruccio son investigadores del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Su trabajo se centra en el estudio de fluidos cuánticos de luz, condensados polaritónicos, fenómenos colectivos fuera del equilibrio y fotónica cuántica.
