Los Anyones como un Nuevo Vínculo entre la Superconductividad y el Magnetismo
La superconductividad y el magnetismo se han considerado durante décadas en física como estados de la materia casi incompatibles. En la representación clásica de los libros de texto, un superconductor expulsa el campo magnético de su interior, mientras que el desorden magnético en un material rompe los frágiles pares de electrones responsables de la superconductividad. Sin embargo, durante el año 2025, dos experimentos independientes demostraron que estos dos mundos aparentemente opuestos pueden encontrarse en el mismo material. Es precisamente sobre este enigma que un equipo de físicos teóricos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) construye ahora su explicación, introduciendo en el juego cuasipartículas exóticas: los anyones.
El nuevo trabajo de los físicos del MIT, publicado el 22 de diciembre de 2025 en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), propone que en los materiales magnéticos bidimensionales los electrones pueden "fragmentarse" en fracciones de sí mismos y, al hacerlo, formar anyones. Según la teoría, en ciertas proporciones de carga, estos anyones pueden comenzar a fluir sin resistencia y mantener al mismo tiempo el orden magnético del material. En otras palabras, la superconductividad en estos sistemas podría surgir no gracias a los pares de Cooper habituales de electrones, sino como un movimiento colectivo de cuasipartículas fraccionadas.
Dos Fenómenos Inesperados en Grafito y MoTe2
El impulso para el nuevo trabajo teórico provino de descubrimientos experimentales recientes. En mayo de 2025, el equipo de Long Ju del MIT anunció que en una versión particularmente compleja del grafeno, el llamado grafeno romboédrico compuesto por cuatro o cinco capas, encontró un material que es simultáneamente superconductor e imán. En ese sistema, a temperaturas muy bajas, los electrones forman un llamado superconductor quiral: los pares de electrones conducen la corriente sin resistencia, pero al mismo tiempo sus órbitas portan un momento magnético, por lo que todo el material se comporta como una especie de imán superconductor.
Casi al mismo tiempo, otros equipos de investigación, principalmente vinculados a la Universidad de Princeton e instituciones colaboradoras, estudiaron las condiciones en las que surgen estados cuánticos topológicos en una bicapa retorcida del cristal semiconductor ditelururo de molibdeno (twisted bilayer MoTe2). En tales estructuras de moiré ya se había confirmado previamente la aparición del efecto Hall anómalo cuántico fraccionario (FQAH), en el que los electrones no necesitan en absoluto un campo magnético externo para organizarse en un estado topológico con carga fraccionada.
Los nuevos resultados de 2024 y 2025 añadieron otro elemento sorprendente a esta imagen: en el mismo rango de parámetros en el que aparece el efecto FQAH, en la bicapa retorcida de MoTe2 también se registraron señales de superconductividad. Algunas mediciones sugieren incluso que al dopar estados con una densidad de carga efectiva de aproximadamente dos tercios de la carga electrónica, vuelve a aparecer el efecto Hall anómalo cuántico entero, rodeado de una estrecha región de comportamiento superconductor. Precisamente esa combinación de magnetismo, orden topológico y superconductividad sugiere que la "unidad de trabajo" fundamental en estos materiales podrían ser cuasipartículas fraccionadas: los anyones.
El Tercer Tipo de Partículas: ¿Qué son realmente los Anyones?
En la zoología de partículas estándar, la naturaleza conoce dos grandes "familias" de partículas: bosones y fermiones. Los bosones, entre los cuales el más conocido es el fotón, aman compartir los mismos estados cuánticos; pueden amontonarse en el mismo lugar del espacio y en el mismo nivel de energía, lo que permite fenómenos como la luz láser o el condensado de Bose–Einstein. Los fermiones, como los electrones, protones y neutrones, se comportan de manera totalmente opuesta: debido al principio de exclusión de Pauli, cada combinación de números cuánticos puede pertenecer a un solo fermión, por lo que se "empujan" mutuamente y se evitan.
Los anyones constituyen una tercera clase, mucho más exótica. Aparecen solo en sistemas bidimensionales, como capas de materiales ultradelgadas o estructuras de moiré, donde la mecánica cuántica permite un tipo de estadística completamente diferente. Mientras que el intercambio de dos fermiones o bosones se refleja solo en el signo de la función de onda, el intercambio de anyones puede añadir una fase arbitraria a la función de onda. Fue precisamente debido a esa libertad de comportamiento que el premio Nobel Frank Wilczek propuso en la década de 1980 el nombre "anyon" (anyón) – porque, en principio, "anything goes" (todo vale).
Los anyones no son solo curiosidades matemáticas. En los estados Hall cuánticos fraccionarios, que ocurren en gases de electrones bidimensionales bajo un fuerte campo magnético, se han detectado experimentalmente cargas que portan apenas un tercio o incluso un quinto de la carga electrónica elemental. Tales estados cuánticos fraccionados se interpretan como formas de excitación colectiva – anyones – que surgen de la compleja correlación de muchos electrones.
En años recientes, estados similares, pero sin campo magnético externo, se han descubierto también en materiales de moiré, especialmente en el MoTe2 retorcido. Allí, el efecto FQAH aparece gracias a las propiedades topológicas de las llamadas bandas de Chern y al ferromagnetismo espontáneo, por lo que se supone que allí también aparecen anyones con carga fraccionada. Esto abre la posibilidad de estudiar y manipular anyones en materia sólida en condiciones considerablemente más "prácticas" que en los experimentos clásicos en heteroestructuras de semiconductores.
Una Vieja Idea de Superconductividad Anyónica recibe una Nueva Oportunidad
La idea de que un conjunto de anyones pudiera convertirse en superconductor no es nueva. Ya a finales de la década de 1980, teóricos como Robert Laughlin y el propio Wilczek consideraron escenarios en los que los anyones, bajo la influencia del magnetismo, se organizan en un estado colectivo sin resistencia. Pero esos trabajos permanecieron durante mucho tiempo al nivel de modelos elegantes pero experimentalmente inalcanzables: el vínculo entre magnetismo y superconductividad parecía demasiado improbable, y el material concreto en el que tal estado pudiera aparecer simplemente no existía.
Una serie de descubrimientos en grafeno romboédrico y MoTe2 retorcido revirtió esa imagen. En el grafito, los experimentalistas del MIT demostraron que en el grafeno romboédrico de cinco capas aparece un superconductor quiral que se comporta como un imán, aunque los superconductores clásicos repelen los campos magnéticos. En el MoTe2, otros equipos, combinando mediciones microscópicas y de transporte, encontraron condiciones en las que la superconductividad aparece junto a o inmediatamente al lado del estado FQAH. Con ello, la "trinidad imposible" magnética-superconductora se ha convertido en un hecho empírico, y no solo en un sueño teórico.
Es aquí donde entran en la historia Senthil Todadri y su estudiante de doctorado Zhengyan Darius Shi. Su trabajo en PNAS parte del supuesto de que el estado FQAH en el MoTe2 es una buena descripción inicial de las fases descendentes que surgen mediante el dopaje: la inserción de portadores de carga adicionales en el sistema. Cada nuevo electrón que entra en tal aislante topológico puede, debido a las fuertes correlaciones y al orden topológico, "fragmentarse" en varios anyones con carga fraccionada. La pregunta es: ¿cómo puede este gas diluido de anyones organizarse a temperaturas muy bajas?
Anyones Frustrados y el Papel Crítico de la Carga 2/3
Los autores utilizan en su modelo el aparato matemático de la teoría cuántica de campos y las teorías efectivas de Chern-Simons para describir la interacción de los anyones en una red bidimensional. El resultado clave es que, dependiendo de la densidad de electrones dopados, aparecen dos tipos de anyones en el sistema: unos con carga de aproximadamente e/3, y otros con carga de alrededor de 2e/3, donde e es la carga elemental del electrón. Cada una de esas fracciones porta también una interacción "estadística" específica: un factor de fase cuántico que determina cómo se sienten los anyones al pasar unos junto a otros.
Cuando los anyones con carga e/3 dominan el sistema, su mutua repulsión estadística conduce a una fuerte frustración cuántica. Cada intento de cualquier anyón de moverse a través de la red encuentra la "resistencia" de todo el colectivo; el sistema permanece en una especie de fase metálica en la que la corriente fluye con una resistencia finita, aunque inusual. La imagen es similar a un metal ordinario, solo que en lugar de electrones, el papel principal lo juegan las cuasipartículas fraccionadas.
La situación cambia drásticamente cuando prevalecen los anyones con carga 2e/3. En ese régimen, como muestra el modelo, las interacciones estadísticas entre anyones pueden "cancelarse" eficazmente de una manera similar a como los campos magnéticos se cancelan en un superconductor. El resultado es un estado colectivo en el que los anyones se organizan en un líquido cuántico coherente: un superconductor anyónico. Aunque se trata de un mecanismo microscópico totalmente diferente al de un superconductor BCS convencional, la descripción matemática puede traducirse al lenguaje de los "pares de Cooper de anyones", lo que mantiene en cierta medida la intuición de la teoría habitual de la superconductividad.
Otro detalle intrigante de la teoría es la predicción de que la superconductividad anyónica no aparece de manera homogénea en su inicio. En lugar de una fase superconductora ordenada y espacialmente uniforme, el modelo propone una disposición de supercorrientes de vórtice que surgen espontáneamente en bolsas aleatorias dentro del material. Tal superconductividad "manchada", vinculada a las propiedades topológicas del sustrato, sería una firma experimental clara de que en el fondo realmente actúan anyones, y no solo pares inusuales de electrones ordinarios.
Hacia una Nueva Fase de la Materia: Materia Cuántica Anyónica
Si resulta que es precisamente este mecanismo el responsable de la aparición de superconductividad en el MoTe2 retorcido –y tal vez en otros materiales de moiré– la física ganará una clase de fases de la materia totalmente nueva. Todadri llama a este régimen hipotético "materia cuántica anyónica": estados en los que los portadores de carga básicos ya no son el electrón o el hueco, sino objetos fraccionados colectivos con una estadística inusual. En tales materiales, el orden magnético, el efecto Hall topológico y la superconductividad no serían fenómenos separados, sino manifestaciones del mismo orden cuántico más profundo.
Ya existe toda una serie de trabajos teóricos que intentan mapear las posibles fases resultantes del dopaje de aislantes FQAH, incluidos superconductores topológicos con modos de borde de Majorana y las llamadas fases de onda de densidad de pares (pair-density-wave) en las que la amplitud de la densidad del par superconductor se modula espacialmente. El nuevo trabajo del MIT sobre superconductividad anyónica se suma lógicamente a esa línea de investigación, pero destaca por intentar vincular directamente experimentos concretos en MoTe2 con la dinámica de las excitaciones fraccionadas.
Paralelamente a este desarrollo teórico, los experimentalistas controlan cada vez mejor las condiciones en las estructuras de moiré. En el MoTe2 retorcido hoy es posible ajustar con mucha precisión el ángulo de torsión, la densidad de portadores, la temperatura y los campos externos, lo que abre espacio para pruebas específicas del escenario anyónico. Por ejemplo, mediciones de supercorrientes con resolución espacial podrían verificar si realmente existen "charcos" locales de superconductividad que el modelo predice, mientras que la magnetometría sensible podría detectar la respuesta magnética topológica simultánea.
Los Anyones y la Búsqueda de Bits Cuánticos Estables
Aunque el enfoque actual del trabajo de Senthil Todadri y Zhengyan Darius Shi está en la explicación de experimentos concretos, la motivación más amplia está claramente conectada con las computadoras cuánticas. Los anyones –especialmente aquellos con una estadística no lineal, llamada no abeliana– se consideran desde hace mucho tiempo candidatos ideales para bits cuánticos estables. La información en tales sistemas se guardaría no en el estado local de una partícula individual, sino en el orden topológico global de una colección de anyones, lo que naturalmente protege el estado cuántico de interferencias locales.
Si se demuestra que en materiales de moiré es posible crear de forma reproducible superconductores anyónicos, los investigadores obtendrían una plataforma largamente deseada para la llamada computación cuántica topológica. En tal escenario, las operaciones lógicas no se realizarían mediante un pulso clásico en un solo "cubit", sino mediante el "trenzado" lento y geométricamente definido de las trayectorias de los anyones unos alrededor de otros. La naturaleza topológica de ese proceso hace que los resultados sean extremadamente robustos al ruido y a las imperfecciones, que es uno de los principales desafíos de la tecnología cuántica actual.
Por ahora, sin embargo, se trata apenas de un paso teórico prometedor. Los propios autores señalan que se necesitan numerosas mediciones adicionales antes de que su imagen pueda confirmarse o refutarse. Es especialmente importante distinguir la contribución de los anyones de las posibles fases exóticas de los electrones ordinarios, que en bandas topológicas bidimensionales a menudo producen comportamientos inesperados. Pero el hecho de que ya no hablemos de escenarios puramente especulativos, sino de una teoría anclada en experimentos concretos, hace de esta historia una de las más emocionantes en la física del estado sólido contemporánea.
¿Qué sigue después de los primeros indicios teóricos?
En los meses y años posteriores a la publicación del trabajo del MIT, se espera un estrecho diálogo entre la teoría y el experimento. Diferentes grupos ya han propuesto modelos alternativos de superconductividad anyónica en estados FQAH dopados y han analizado en detalle las transiciones entre la fase superconductora y los aislantes Hall anómalos cuánticos reentrantes en MoTe2 retorcido. La clave será identificar magnitudes medibles –como un patrón específico de corrientes de vórtice, densidad de carga desigual o modos de borde inusuales– que distingan unívocamente el escenario anyónico de explicaciones competidoras.
Independientemente del resultado, ya está claro que los nuevos descubrimientos de "superconductividad magnética" en el grafeno romboédrico y la combinación del efecto FQAH y la superconductividad en el MoTe2 han abierto una fase de investigación de la materia cuántica totalmente nueva. La frontera entre el magnetismo, los aislantes topológicos y los superconductores ya no es tan rígida como parecía antes. En esa nueva zona de superposición, los anyones surgen como el lenguaje natural en el que probablemente se escribirán los futuros experimentos y teorías.
Si resulta que los anyones "anything-goes" son efectivamente la base de toda una serie de fenómenos cuánticos inesperados, desde estructuras de moiré de laboratorio hasta potenciales nuevos materiales, la física obtendrá no solo otra adición exótica a su enciclopedia, sino una herramienta concreta para construir tecnologías cuánticas más robustas. El camino hacia tales aplicaciones será largo y lleno de incertidumbre, pero los resultados más recientes muestran que al menos se ha dado el primer paso, conceptualmente crucial.
Fuentes:
- MIT News – Anything-goes “anyons” may be at the root of surprising quantum experiments (enlace)
- MIT News – MIT physicists discover a new type of superconductor that’s also a magnet (enlace)
- Nature – Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe2 bilayer (enlace)
- Science Advances – Anomalous superconductivity in twisted MoTe2 nanojunctions (enlace)
- Anyon delocalization transitions out of a disordered FQAH insulator – arXiv preprint (enlace)
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