La física cuántica continúa sorprendiendo al mundo con hallazgos que desafían las nociones tradicionales sobre el comportamiento de la materia a nivel subatómico. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton ha dado un paso decisivo al descubrir un estado cuántico quiral inusual en un material topológico, un evento que transforma la comprensión de cómo se manifiestan las propiedades emergentes en materiales con estructuras geométricas complejas. Este avance no solo aporta luz a un debate científico largamente sostenido, sino que también allana el camino para el desarrollo de tecnologías cuánticas de nueva generación. La quiralidad, a menudo descrita como una propiedad de «manos» distintas—una izquierda y otra derecha—se presenta como una cualidad fascinante en la naturaleza, con ejemplos que van desde las moléculas biológicas hasta las hélices del ADN. Sin embargo, encontrar esta propiedad en sistemas cuánticos, específicamente en materiales topológicos, supone un reto científico de gran envergadura.
La característica quiral implica que un objeto o estado no puede ser superpuesto sobre su imagen especular, una ruptura que tiene profundas implicancias físicas y tecnológicas. El equipo liderado por el profesor Eugene Higgins M. Zahid Hasan se enfocó en KV₃Sb₅, un material con una estructura de red Kagome, nombrada así por un patrón tradicional japonés de cestería formado por triángulos entrelazados. Estas redes han sido objeto de numerosos estudios debido a su capacidad para albergar estados cuánticos exóticos y complejos, así como fenómenos emergentes como ondas de densidad de carga y superconductividad inusual. Curiosamente, la red Kagome se consideraba inherentemente aciral, es decir, carente de esta propiedad de «mano» particular.
Sin embargo, investigaciones previas realizadas por el mismo grupo de Princeton en 2021 evidenciaron, mediante un microscopio de túnel de barrido de alta resolución, que KV₃Sb₅ puede desarrollar espontáneamente una onda de densidad de carga peculiar, lo que planteó la posibilidad de un estado con quiralidad emergente en un sistema inicialmente aciral. El reto que enfrentaban los investigadores era detectar la ruptura específica de simetrías que indicaría esta quiralidad y demostrar su existencia de manera concluyente. Para abordar esta dificultad, Zi-Jia Cheng y Shafayat Hossain, integrantes principales del estudio, diseñaron un microscopio de fotocorriente de barrido, una herramienta capaz de medir la respuesta electromagnética no lineal del material cuando se expone a luz polarizada circularmente. Este método es complementario al microscopio de túnel y permite analizar el comportamiento óptico e inducir corrientes eléctricas propias del estado cuántico del material. Las mediciones se realizaron a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de 4 grados Kelvin, para observar cómo cambia la respuesta del material al ser enfriado.
Los resultados fueron definitivos: a temperaturas más altas, la fotocorriente no mostraba preferencia por luz izquierda o derecha, pero al atravesar la transición de onda de densidad de carga, surgió una marcada respuesta diferencial y dependiente de la polarización de la luz. Este fenómeno se conoce como el efecto fotogalvánico circular longitudinal y es un claro indicativo de la ruptura de simetrías de inversión y espejo, evidenciando la naturaleza quiral del estado de carga ordenada. Este hallazgo es revolucionario, ya que marca la primera vez que se observa un estado cuántico con simetría quiral rota de forma espontánea en un material topológico a granel, superando los límites de hallazgos anteriores encontrados solo en sistemas no topológicos. Tal descubrimiento tiene implicaciones profundas para el diseño futuro de dispositivos optoelectrónicos y tecnologías fotovoltaicas basadas en materiales topológicos. La existencia de un estado cuántico quiral en un material con estructura Kagome también abre interrogantes fundamentales sobre la naturaleza y el origen de este fenómeno, pues actualmente no existe una teoría completa que explique por qué ocurre este rompimiento de simetría en KV₃Sb₅.
Aún así, la confirmación experimental de esta propiedad sugiere que los procesos de ruptura espontánea de simetrías podrían ser más comunes y cruciales de lo que se pensaba en la física de los materiales cuánticos. Más allá de su relevancia científica, la exploración de estados quirales en materiales topológicos tiene el potencial de impulsar nuevas clases de tecnologías cuánticas. Los estados quirales permiten controlar la interacción entre luz y materia de maneras novedosas, potenciando la eficiencia y funcionalidad de dispositivos que manipulan señales ópticas y eléctricas, como sensores, convertidores de energía y sistemas de información cuántica. El papel del microscopio de fotocorriente de barrido desarrollado para esta investigación también refleja una tendencia creciente en la física experimental: la combinación de técnicas sofisticadas para obtener una imagen más completa e integral de los estados cuánticos. Al fusionar la resolución espacial del microscopio de túnel con la sensibilidad óptica del microscopio de fotocorriente, los científicos están capacitados para detectar sutilezas cuánticas que antes permanecían ocultas.
