En una olla con agua calentada con mucho cuidado por encima del punto de ebullición, el líquido permanece en calma. Pero la menor perturbación — y estalla convirtiéndose en vapor. Los físicos llaman a ese estado metastable: parece estable, pero en realidad está listo para destruirse ante cualquier nimiedad. En el mundo cuántico, situaciones así aparecen por doquier, desde imanes diminutos hasta, posiblemente, el propio tejido del espacio-tiempo. Observar en directo la descomposición de un estado metastable es increíblemente difícil: normalmente todo ocurre demasiado rápido e impredecible.
En el nuevo trabajo, los científicos encontraron la manera no solo de ver ese proceso, sino también de controlarlo. Usaron un complejo material en capas de semiconductores, el llamado material cuántico de moiré (en él, las capas de átomos están giradas entre sí, creando un patrón grande parecido a las aguas de la seda). En esas estructuras los electrones se comportan de forma muy inusual: pueden alinear espontáneamente sus momentos magnéticos en una misma dirección, convirtiendo el material en una especie de imán plano — un ferromagnético. La principal ventaja de este sistema es que con un láser se puede preparar un estado que no es el más favorable energéticamente: ese famoso «hielo sobrecalentado» metastable.
Los autores iluminaron la muestra con un rayo láser retorcido en espiral (un haz de Laguerre-Gauss). Ese haz, como una diminuta batidora, invertía los momentos magnéticos de los electrones en una pequeña región, creando una «burbuja» con magnetización opuesta dentro del imán original. Esa burbuja es la encarnación del estado metastable: sus paredes tienden a colapsar y su interior a expandirse. El desenlace de esta lucha depende del tamaño inicial de la burbuja, que se fija con la potencia del láser.
El resultado más sorprendente apareció cuando los científicos activaron un campo magnético externo dirigido contra la magnetización de la burbuja. En ciertas condiciones, cuando el número de electrones en el material correspondía exactamente a números fraccionarios o enteros por cada patrón de moiré, la vida de la burbuja se multiplicaba por cien. En esos momentos el material pasaba a un estado cuántico especial: un aislante topológico de Chern, donde los electrones fluyen por los bordes sin resistencia y el interior permanece no conductor. Esa rígida estructura topológica, como el armazón en el hormigón, impedía que la burbuja magnética colapsara rápidamente.
Ahora volvamos a nuestra metáfora del agua sobrecalentada. En lugar de preguntarnos cuándo hervirá por fin, podemos no solo crear con precisión una burbuja de vapor en el lugar deseado, sino también alargar el momento de la ebullición durante mucho tiempo, simplemente eligiendo la «composición» adecuada del líquido. Estos experimentos abren el camino al control de estados inestables en muy diversos materiales cuánticos y, quizá, ayuden a comprender mejor cómo nuestro universo pudo sobrevivir a la era del falso vacío en los primeros instantes tras el Big Bang.
Los patrones de moiré, que dan nombre a toda una clase de materiales, deben su nombre a la técnica de tratar la seda llamada muaré: si se superponen dos capas de tela fina con una pequeña rotación, aparece un gran dibujo ondulado. Del mismo modo, dos capas de átomos giradas crean para los electrones un nuevo patrón periódico mucho más grande.
La idea de un falso vacío capaz de descomponerse de repente está en la base de muchas tramas de ciencia ficción, desde «La máquina del tiempo» de H. G. Wells hasta la novela «El fin de la eternidad» de Isaac Asimov, donde los héroes temen un cataclismo que podría rehacer todo el universo.