El académico del Departamento de Física, Dr. Francisco Correa, lidera un proyecto Fondecyt Regular que busca comprender las reglas cuánticas que determinan cómo se comporta la materia a escalas muy pequeñas y cómo, al modificarse esas reglas, pueden surgir nuevas propiedades en materiales avanzados y en modelos que ayudan a entender la estructura del universo. La iniciativa es apoyada por la Dirección de Investigación Científica y Tecnológica (Dicyt-Usach).
Desde hace más de un siglo, la física busca comprender cuáles son las leyes fundamentales que gobiernan el comportamiento del universo, desde las partículas más pequeñas hasta las estructuras más grandes del espacio y el tiempo. En ese sentido, la mecánica cuántica ha sido clave en este esfuerzo, al revelar que la materia no se comporta de manera intuitiva, sino siguiendo reglas que determinan qué fenómenos son posibles y cuáles no.
Muchas de estas reglas están asociadas a simetrías cuánticas, principios que organizan la naturaleza y que indican cuándo un sistema se comporta de la misma forma, sin importar el lugar o las condiciones. Cuando estas simetrías se mantienen, el comportamiento de la materia es predecible, por ejemplo, permitiendo anticipar cómo se moverá un electrón dentro de un material; en cambio, cuando se modifican o se rompen, pueden surgir nuevas propiedades, estados inesperados y fenómenos que hoy están en el centro de la investigación, tanto en materiales avanzados como en modelos que buscan explicar la estructura del universo.
Un ejemplo concreto donde estas simetrías cuánticas pueden manifestarse es el grafeno, un material bidimensional obtenido a partir de una sola capa de átomos de carbono, que llevó al Premio Nobel de Física 2010. A escala microscópica, su estructura cristalina altamente ordenada en forma hexagonal, como un panal de abejas, da lugar a un comportamiento electrónico inusual, en el que ciertas simetrías del sistema determinan propiedades extraordinarias como una elevada conductividad eléctrica, gran resistencia mecánica y una notable estabilidad. Este tipo de materiales ilustra cómo principios cuánticos y de simetría pueden gobernar el comportamiento de la materia a escalas muy pequeñas.
Sin ir más lejos, el Premio Nobel de Física 2025, demostró que estos mismos principios cuánticos y sus simetrías fundamentales no se limitan al mundo microscópico, sino que pueden preservarse y controlarse incluso en sistemas macroscópicos, como circuitos eléctricos superconductores. En estos sistemas, fenómenos genuinamente cuánticos, como la cuantización de la energía y el efecto túnel, emergen gracias a la presencia de simetrías de fase y de gauge, abriendo el camino a tecnologías cuánticas de nueva generación. Este resultado confirma que las simetrías no solo explican la estructura íntima de la materia, sino que también permiten que lo cuántico sobreviva y sea funcional a escalas visibles y tecnológicamente relevantes.
Predecir la aparición de nuevas partículas
Desde la Usach, esta investigación utiliza sistemas del tipo grafeno como punto de partida para estudiar cómo las simetrías cuánticas influyen en el comportamiento de la materia. A través de un proyecto Fondecyt Regular, el académico del Departamento de Física, Dr. Francisco Correa, analiza de forma teórica qué reglas permiten describir el movimiento de los electrones en este tipo de materiales y cómo cambian sus propiedades cuando esas simetrías se alteran. El objetivo es entender, desde la base, por qué surgen comportamientos que no aparecen en materiales tradicionales y cómo este conocimiento puede extenderse a otros sistemas cuánticos más complejos.
“Al estudiar una simetría específica, como la simetría hexagonal o inversión temporal, es posible predecir la aparición de nuevas partículas o propiedades de la materia. Muchas de ellas se han descubierto justamente a partir de estas simetrías, que juegan un rol fundamental en la naturaleza y permiten conectar la mecánica cuántica con aplicaciones en áreas como la óptica y el estudio de sistemas no hermíticos”, explicó el académico Usach.
Los sistemas no hermíticos describen situaciones en las que un sistema cuántico intercambia energía con su entorno, a diferencia de los modelos tradicionales que asumen sistemas cerrados, es decir, no se trata de sistemas aislados, sino de escenarios donde la energía puede entrar o salir, modificando su comportamiento de formas que no aparecen en los modelos clásicos.
Este tipo de sistemas es clave para entender comportamientos extremos y poco intuitivos, pero todavía faltan modelos teóricos que permitan predecirlos con claridad. Por eso, el proyecto incorpora el estudio de sistemas no hermíticos como una forma de extender las herramientas de la mecánica cuántica a escenarios más realistas y complejos.
“En los sistemas no hermíticos aparecen materiales que no se encuentran de forma natural y que hay que diseñar. Al introducir pérdidas o ganancias de energía, se pueden generar efectos especiales, como controlar o redirigir ondas. Esto es relevante porque casi todo en la naturaleza se propaga en forma de ondas, desde la luz hasta el sonido, y entender estos comportamientos permite avanzar en el diseño de nuevos dispositivos y conocer más el funcionamiento del universo”, añadió Correa.
En la frontera de la física teórica
Más allá de los materiales y los sistemas diseñados, el proyecto también extiende estas herramientas al estudio de problemas fundamentales de la física teórica. En particular, busca comprender cómo las simetrías cuánticas y las estructuras matemáticas que aparecen en estos modelos influyen en teorías de campos y en la descripción del espacio-tiempo, incluyendo fenómenos extremos como los agujeros negros, donde aún existen muchas preguntas abiertas sobre su comportamiento.
En ese contexto, el académico destaca que, aunque el proyecto se sitúa en la frontera de la física teórica, su aporte no se limita a un solo ámbito, sino que busca tender puentes entre áreas que hoy avanzan en paralelo, desde el estudio de materiales como el grafeno y el diseño de metamateriales, hasta preguntas abiertas sobre la gravedad y los agujeros negros, la investigación se articula como un esfuerzo por conectar distintos niveles de la física.
Asimismo, subraya que muchas de las tecnologías que hoy forman parte de la vida cotidiana tuvieron su origen en investigaciones de ciencia básica. En esa proyección, el desafío es profundizar en la comprensión de las simetrías cuánticas para explicar fenómenos complejos y, al mismo tiempo, abrir nuevas líneas de investigación, fortalecer redes internacionales y formar capital humano que continúe empujando estos límites en el mediano y largo plazo.
“Trabajar con estudiantes, formarles y ver cómo luego se proyectan hacia otras áreas es muy gratificante. La física teórica permite hacer muchas cosas que a uno le gustan, con aplicaciones tanto a futuro como cercanas, pero además está la interacción con las personas, y eso para mí es especialmente valioso”, finalizó el investigador Usach.
Texto y Fotografía: Camilo Araya Bernales
