Un supersólido combina un flujo superfluido (con viscosidad cero) y un orden cristalino (una modulación periódica de la densidad que rompe la simetría de traslación). En marzo de 2025 se publicó en Nature la observación de un supersólido “de luz” en un condensado de excitones-polaritones en un sistema fuera del equilibrio (forzado y disipativo); en concreto, se confirmaron las predicciones de un modelo teórico publicado por el mismo grupo en febrero de 2025 en Physical Review Letters. Este grupo ya publicó en 2023 la formación de un condensado de Bose–Einstein de polaritones (ya que los excitones-polaritones son bosones con masa) con momento lineal longitudinal nulo k = 0 (TE₀); trabajos previos en cavidades ópticas habían observado un superfluido de polaritones con momento lineal k ≠ 0 (TE₁), que en este cristal fotónico se podría observar al romper de forma espontánea otra simetría de fase U(1) asociada a dos modos propagantes. La novedad es que aparece un patrón de interferencia fijo en la imagen de fotoluminiscencia del condensado de polaritones (patrón «cristalino» porque es independiende de la energía), debido a la interferencia entre los modos propagantes k ≠ 0 (TE₁), que se interpreta como señal de un supersólido polaritónico; es decir, se interpreta la imagen como resultado de una rotura espontánea de la simetría de traslación. Las dos claves de la supersolidez son que los polaritones tienen masa efectiva negativa (el condensado está en un mínimo de la curva de dispersión) y que hay suficiente no linealidad entre los polarizontes (inducida por la de los excitones) para producir una oscilación paramétrica óptica (OPO) isoenergética. En el condensado superfluido de polaritones se observarán un patrón de interferencia fijo (semejante a un orden cristalino) que es independiente del momento lineal de los polaritones móviles que forman el superfluido. Los supersólidos fotónicos son una plataforma que permitirá realizar estudios detallados más allá de lo que se puede estudiar con los supersólidos atómicos.
Los autores recalcan que no se trata de un análogo fotónico de un supersólido de átomos; sino de un supersólido de polaritones, tan supersólido como los observados con átomos. La crítica más obvia es que no debemos olvidar que no basta con que lo observado esté en perfecto acuerdo con las predicciones teóricas en las simulaciones de un supersólido. La supersolidez en este cristal fotónico semiconductor requiere dos roturas de simetría y ambas deben estar acompañadas de sendos modos de Goldstone, que no han sido observados. En condensados de polaritones en equilibrio (en cavidades ópticas) se han observado modos de Goldstone (en forma de fonones); pero su observación en un supersólido forzado y disipativo no parece nada fácil. Ello no quita que hasta que no sean observados no se podrá estar seguros de que el supersólido de polaritones es un supersólido fetén, como enfatizan sus autores. Los artículos experimental y teórico son Dimitrios Trypogeorgos, …, Manuele Landini, …, Daniele Sanvitto, «Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates,» Nature 639: 337-341 (05 Mar 2025), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08616-9, arXiv:2407.02373 [cond-mat.mes-hall] (02 Jul 2024), y Davide Nigro, Dimitrios Trypogeorgos, …, Dario Gerace, «Supersolidity of Polariton Condensates in Photonic Crystal Waveguides,» Physical Review Letters 134: 056002 (07 Feb 2025), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056002, arXiv:2407.06671 [cond-mat.quant-gas] (09 Jul 2025); más información divulgativa (por dos de los coautores) en Antonio Gianfate, Davide Nigro, «A supersolid made using photons,» Research Briefings, Nature (05 Mar 2025), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00637-8. Se publicó el condensado de polaritones en F. Riminucci, …, D. Trypogeorgos, …, D. Sanvitto, «Polariton Condensation in Gap-Confined States of Photonic Crystal Waveguides,» Physical Review Letters 131: 246901 (13 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.246901;
Se ha una guía de onda semiconductora de una aleación AlGaAs (arseniuro de aluminio y galio) crecida mediante epitaxia por haces moleculares. Contiene 12 pozos cuánticos de GaAs de 20 nm de espesor embebidos en la estructura cuyo espesor total es de 510 nm. En la parte superior de la guía de ondas se ha fabricado una rejilla unidireccional de 50 × 400 μm, con un parámetro de red a = 242 nm (sublongitud de onda), que corresponde a una traslación de vector de onda π/a = 13 μm⁻¹, y una profundidad de grabado de 170 nm. Esta rejilla es la clave para que los modos propagantes se trasladen en el espacio recíproco (o de momentos) hacia el interior del cono de luz. Sobre la guía de ondas con la rejilla incide de forma transversal un láser pulsado a 770 nm (energía de 1.61 eV) ultrarrápido (pulsos de 100 fs emitidos a 80 MHz). El láser induce los excitones (pares electrón-hueco en el semiconductor), que en el GaAs están a 1.531 eV (≈ 810 nm). El condensado se forma gracias a que la rejilla sublongitud de onda repliega los modos propagantes al punto kx = 0 (valor nulo para el momento paralelo a la guía, dirección x en la figura) y a que la guía se enfría a ~4 K (para que la energía térmica ≈ 0.34 meV sea muy pequeña comparada con la energía de acoplamiento entre los excitones en el GaAs, que está en el rango ≈ 4–10 meV).
Por cierto, Dimitrios Trypogeorgos bromea en el listado de contribuciones del artículo en Nature con que «intentó usar el mejor lenguaje fotónico del que fue capaz, pero al final tuvo que recurrir a los KETs». Se refiere a la notición de brackets introducida por Dirac en mecánica cuántica. Así el condensado se representa por el estado |0⟩ y los dos modos propagantes por los estados |−1⟩ y |+1⟩; además se usan operadores de creación y aniquilación en el espacio de Fock (como muestra la figura). Lo cierto es que en el artículo teórico en Physical Review Letters no se usó esta notación, sino una notación fotónica más estándar. Dicha notación podría sugerir que se trabaja en un marco semiclásico con ecuaciones de Gross–Pitaevskii con forzamiento y disipación; pero dicha también se puede interpretar como funciones de onda cuánticas. La verdad, no entiendo la broma o la ironía de D.T. en Nature. No sé si usa los brackets para sugerir que sus experimentos son cuánticos, aunque su modelo teórico es semiclásico; lo que penalizaría su interpretación de la supersolidez, que se basa en su comparación de los resultados experimentales con los teóricos. Me atrevo a conjeturar que la ironía del comentario de D.T. en Nature tiene su origen en que los revisores de PRL le obligaron a prescindir de la notación bracket y está molesto porque sin dicha notación el modelo teórico parece semiclásico en lugar de cuántico; en otro caso, no soy capaz de entender la broma sobre los KETs.
El condensado se forma en el modo |0⟩ con kx = 0, un estado ligado en el continuo (BiC) con pérdidas radiativas suprimidas; en una imagen de fotoluminiscencia se observa como un modo transversal con un nodo central, o sea, dos regiones de emisión separadas por una línea oscura (como muestra la representación en 3D del condensado en la figura anterior a esta). Cuando se aumenta la potencia irradiada por el láser, la población del condensado crece, apareciendo un proceso no lineal de oscilación paramétrica óptica (OPO) isoenergética; su origen son las interacciones polaritón-polaritón mediadas por las interacciones excitón-excitón. La OPO induce una resonancia que hace que pares de polaritones se dispersen desde el modo |0⟩ hacia dos modos simétricos de momento finito |±1⟩ con k = ±kr que cumplen con la conservación de la energía y del momento. La ocupación simultánea del modo no propagante con kx = 0 y los modos propagantes con k = ±kr induce un patrón de interferencia en el condensado que se observa en la imagen de fotoluminiscencia como una modulación espacial de la intensidad (análoga a la cristalización en un supersólido); en esta figura, abajo a la derecha y a la izquierda, se observa que la amplitud del BiC está modulada por un patrón periódico con una amplitud A ≈ 2.6 %, extendido sobre ~30 “sitios” efectivos. Una señal de la rotura de la simetría traslacional, es decir, de que el estado es supersólido, es que dicho patrón es independiente de la energía, como si estuviera «cristalizado». En el artículo se muestra que cuando no se excita el modo kx = 0 y solo se excitan los modos k = ±kr se observa un patrón de interferencia cuya frecuencia «portadora» depende de la energía. Esto también está muy bien ilustrado en las simulaciones teóricas del artículo en Physical Review Letters.
Para demostrar que el supersólido tiene un origen cuántico se ha determinado la coherencia en los interferogramas usando el correlador de primer orden g(1)(x − x’), cuantificando tanto la coherencia global como su modulación local correlacionada con la estructura cristalina. En el experimento se observa la imagen en la guía mientras se incrementa la potencia del láser, apareciendo dos umbrales. El primero asociado a la condensación comienza a ≈ 250 μW. Si se sigue incrementando la potencia, se activa el régimen OPO (scattering o dispersión paramétrica) que incrementa la población de los modos, hasta que se alcanza el segundo umbral ≈ 430 μW. En dicho momento aumenta la eficiencia del scattering paramétrico y los modos |±1⟩ pasan de población incoherente (reservorio) a población estructurada y coherente.
La descripción cuántica del sistema en el modelo teórico implica 8 modos, 4 polaritónicos y 4 excitónicos, que se describen con una matriz de 8 × 8. Se ha estudiado la coherencia entre los 4 modos de polaritones, tanto sus términos diagonales como los de fuera de la diagonal, mediante el correlador g(1). Este correlador se puede aplicar a los modos k = 0 (Ccoh) y a los modos k = ±kr (Cmod). Como muestra esta figura, la longitud de coherencia aumenta al cruzar el primer umbral de condensación, llegando a estar limitada por el tamaño finito del sistema; al cruzar el segundo umbral, el correlador presenta oscilaciones (~1.5 %) en fase con la modulación de densidad, lo que indica una modulación local de la coherencia del «cristal». Según los autores, apoya la interpretación como supersólido que, tras el segundo umbral, Cmod crezca conforme aumenta Ccoh, lo que sigue el comportamiento de las densidades n±1 respecto a n0 (este resultado es una predicción del modelo teórico).
En resumen, el artículo presenta evidencia experimental de un supersólido fuera de equilibrio en un condensado polaritónico en cristal fotónico. Se observan las características predichas por un modelo teórico, que se interpretan como una cristalización (modulación de densidad) inducida por un OPO isoenergético que rompe la simetría de traslación. Además, se determina la coherencia midiendo la fase (usando un correlador) y se muestra que el orden de largo alcanca un patrón espacial. Por supuesto, se echa en falta la observación de modos de Goldstone, que ni describe el modelo teórico, ni parecen fácil de observar en los experimentos. En cualquier caso, los autores destacan en su artículo en Nature que no se trata de un análogo fotónico de un supersólido atómico, sino de un supersólido polaritónico fetén. Solo futuros estudios confirmarán que así es.
Hace unos cuantos años…
2068.04.17 – Instalación de Estabilidad Profunda de Atacama (IEPA)
El complejo estaba excavado bajo la meseta de Atacama, no por seguridad ni por secreto, sino por estabilidad. A cierta profundidad, las fluctuaciones térmicas, sísmicas y electromagnéticas dejaban de ser un problema y se convertían en ruido de fondo controlable. Allí, en una cámara de paredes cerámicas negras, el campo de confinamiento mantenía suspendida una estructura que no debería existir… y sin embargo persistía, siempre al borde de su propia pérdida.
La doctora Elena Navarro, física de materia condensada y directora científica del programa LÓGOS, observaba el volumen luminoso con los brazos cruzados. No era grande: un cilindro de apenas cuarenta centímetros, atravesado por patrones de luz que parecían repetirse sin desplazarse. No giraban, no oscilaban, no fluían. Se mantenían.
—Sigue sin haber disipación —dijo alguien a su espalda.
Jun Seo Park, ingeniero cuántico y responsable del sistema de control, revisaba los datos proyectados en el aire con un gesto que mezclaba orgullo y cautela.
—Ni pérdida de fase —añadió—. La coherencia global se conserva incluso tras la última perturbación … pero cada vez cuesta más mantenerla sin intervenir.
Elena asintió lentamente. Aquello ya no era una sorpresa técnica; hacía años que habían aprendido a estabilizar estados supersólidos fotónicos durante horas, incluso días. La verdadera anomalía era otra, más sutil, más incómoda.
—No debería responder así —dijo ella—. No a esa escala. Esperaba ruido acumulado. Deriva. Algún tipo de desgaste.
Jun levantó la vista.
—Los modelos se ajustan bastante bien.
—Se ajustan después —respondió Elena—. Siempre después.
Guardaron silencio. Dentro del confinamiento, el patrón luminoso parecía idéntico al de hacía diez minutos. Y al de hacía diez horas. Un cristal sin átomos, un sólido sin rigidez clásica, una luz que había aprendido a comportarse como algo que recuerda su forma, siempre que no se le exigiera demasiado.
Elena recordó vagamente el artículo original, publicado más de cuarenta años atrás. Entonces se hablaba de una curiosidad extrema: luz organizada como un cristal y, al mismo tiempo, fluyendo sin fricción. Un resultado elegante, fascinante, pero contenido. Nadie imaginó que aquel equilibrio imposible acabaría filtrándose en tantas disciplinas distintas: metrología, computación cuántica, sensores gravitacionales… incluso cosmología experimental. Tampoco imaginaron lo difícil que sería decidir qué hacer con él.
—¿Has visto la correlación cruzada? —preguntó Jun, bajando la voz, como si el sistema pudiera oírles.
Elena ya la había visto. Todos la habían visto. Era el motivo por el que LÓGOS existía y, al mismo tiempo, la razón por la que evitaban sacar conclusiones rápidas.
—Sí —respondió—. Sigue ahí.
No importaba qué pequeña fluctuación introdujeran en el entorno: un pulso térmico lejano, una variación controlada del campo electromagnético externo, incluso eventos aleatorios captados por observatorios astronómicos asociados. El patrón interno no cambiaba… pero reajustaba su fase. No para compensar. Para mantenerse consistente con algo más amplio, como si ciertas perturbaciones no merecieran respuesta.
—Es como si el sistema “supiera” —dijo Jun, incómodo— qué perturbaciones son relevantes y cuáles no.
Elena negó con la cabeza.
—No sabe nada. Pero… responde como si existiera un criterio global … y eso es lo que nos incomoda.
Se acercó un paso más al límite de seguridad. A esa distancia, la luz no deslumbraba; tenía una textura casi opaca, como si el aire se espesara alrededor. Habían comprobado que intentar fijar el patrón con mayor precisión lo destruía. El estado persistía solo mientras se lo respetara.
Durante años, la hipótesis dominante había sido pragmática: acoplamientos no locales emergentes, residuos de coherencia cuántica amplificados por la arquitectura fotónica. Nada místico. Nada prohibido. Todo dentro de la física aceptable… aunque cada vez más incómoda en sus implicaciones.
—El sistema no solo minimiza energía —continuó Elena—. Minimiza inconsistencia.
Jun frunció el ceño.
—Eso no es un observable.
—Aún no —repitió ella, sin insistir..
En la sala de control adyacente, otros investigadores seguían el experimento con atención contenida. Nadie hablaba de aplicaciones militares ni de nuevos dispositivos comerciales. Esas fases ya habían pasado. Ahora el conflicto era otro: qué significaba aquello para la forma en que entendían el universo, y hasta qué punto convenía forzar una respuesta.
Si un sistema físico podía mantener una estructura rígida y, al mismo tiempo, adaptarse sin fricción; si podía conservar coherencia no solo internamente, sino respecto a un entorno que cambiaba a escalas enormes… entonces la separación clásica entre sistema y contexto empezaba a resquebrajarse, no como ruptura violenta, sino como una erosión lenta y persistente.
—Elena —dijo Jun al cabo de un rato—, ¿crees que esto es un caso especial?
Ella tardó en responder, consciente de que la pregunta no era solo científica.
—Creo que es un caso visible.
Se giró hacia él, con una expresión que mezclaba cansancio y una extraña serenidad.
—Durante siglos hemos descrito el universo como una suma de sistemas aislables, conectados por interacciones locales. Pero quizá algunos estados no existen en el universo, sino con él.
Jun no contestó. No hacía falta. Ambos sabían que esa idea no violaba ninguna ecuación conocida… pero las obligaba a convivir de otra manera, menos cómoda y más cuidadosa.
Dentro del confinamiento, el patrón luminoso seguía inmóvil. No porque estuviera congelado, sino porque no tenía motivo para cambiar. Como una nota sostenida en una sinfonía que aún no se había escrito por completo.
Elena apagó parte de la interfaz y se permitió, por primera vez en semanas, sonreír apenas.
No era el final de una teoría.
Era el principio de una coherencia más amplia, aún sin nombre, que no pedía ser adorada ni comprendida del todo. Solo respetada.