Ocho preguntas y respuestas para (intentar) entender de qué va el Nobel de Física 2016

“Científicos descubren algo importantísimo pero que tú no entenderías”. Este titular del periódico satírico El Mundo Today nos resulta especialmente gracioso a los miembros de la prensa científica porque nos vemos identificados a menudo con él, y alcanza su máxima expresión cada año el día que se anuncia el Premio Nobel de Física, un galardón que despierta un enorme interés entre el público pero que habitualmente resulta muy complicado de entender.

Con los dedos cruzados en favor de las ondas gravitacionales (son importantes, son bellas y, sobre todo, ya teníamos el trabajo hecho), el comité nos dio en las narices anunciando que los ganadores del premio nada tenían que ver con la astrofísica. En su lugar, habían elegido a tres físicos británicos y su trabajo descubriendo y analizando el extraño comportamiento de la materia en fases o estados inusuales.

El anuncio, literalmente, decía: “La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido entregar el Premio Nobel de Física 2016 a David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz por sus descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia”.

Entender sus logros y la importancia de estos no resulta fácil, pero tampoco es imposible. Con ayuda de Germán Sierra, profesor del Instituto de Física Teórica, aquí tiene la explicación de algunos conceptos que le ayudarán a hablar de este último premio Nobel de Física como si fuese todo un experto.

¿Quiénes son los premiados?

El Premio Nobel se entrega a personas, no a descubrimientos. Este de Física se ha repartido de forma peculiar: la mitad del premio ha ido a David Thouless, un cuarto para Duncan Haldane y otro para Michael Kosterlitz.

Este de Física se ha repartido de forma peculiar: la mitad del premio ha ido a David Thouless, un cuarto para Duncan Haldane y la otra para Michael Kosterlitz

David Thouless tiene 82 años y nació en Escocia. Estudió en la Universidad de Cambridge y en los 60 y 70 enseñó física matemática en la Universidad de Birmingham. Allí colaboró con Michael Kosterlitz, con el que ahora comparte Nobel por sus trabajos de aquella época. En 1980 comenzó a trabajar en la Universidad de Washington, donde ahora es profesor emérito.

Duncan Haldane es el más joven de los tres a sus lozanos 65 años. Nació en Londres y se doctoró en Cambridge en 1978. Ha trabajado en el Insituto Laue-Langevin en Grenoble, Francia, en la Universidad del Sur de California y en la Universidad de San Diego antes de entrar en Princeton en 1990, donde todavía investiga y da clases.

El último es Michael Kosterlitz, de 73 años, también escocés. Doctorado en física de la energía en Oxford en 1969, todavía hoy es profesor de Física en la Universidad de Brown.

¿Qué han descubierto?

Cuando en 2013 la academia sueca premió con este mismo galardón a Peter Higgs y François Englert, lo hizo por el descubrimiento teórico del bosón de Higgs y el papel que este había tenido en el entendimiento de la física de partículas. En esta ocasión, el enfoque de los académicos en su fallo ha sido algo distinto.

No se trata de un descubrimiento en concreto, sino en el resultado de aplicar ideas de distintos campos científicos para estudiar un área concreta

“No se trata de un descubrimiento en concreto, sino en el resultado de aplicar ideas de distintos campos científicos para estudiar un área concreta”, explica Sierra. Los tres galardonados desafiaron las teorías establecidas y comúnmente aceptadas en su época para intentar entender fenómenos que esas teorías no terminaban de explicar.

Lo que hicieron estos tres físicos fue aplicar conceptos propios de la topología, un área de las matemáticas, al estudio de la física de la materia condensada, que analiza las características macroscópicas de la materia y que está directamente relacionada con la ciencia de los materiales.

Vamos por partes, ¿qué es la topología?

Vale, esta es fácil. La topología es el área de las matemáticas que describe las propiedades que se mantienen intactas cuando un objeto es aplastado, estirado, retorcido o de alguna forma deformado, pero no agujereado ni separado en varias partes, o, como explica Sierra “cuando es sometido a una alteración suave”.

Según este área, una esfera es equivalente a una taza, pero una taza con asa es igual que un donuts. En el primer ejemplo no hay ningún agujero, en el segundo hay uno. Un antifaz pertenecería a una tercera categoría, al tener dos agujeros. “Los cambios se producen en unidades enteras: no hay medio agujero, o dos agujeros y cuarto”.

Lo que hicieron Thouless, Haldane y Kosterlitz fue aplicar esta idea en otro campo distinto al de los agujeros de un donuts: lo hicieron en el de las propiedades que tiene la materia exótica (la que no existe en la naturaleza y hay que generar en el laboratorio) cuando se encuentra en estados inusuales (superconducción o superfluidos, por ejemplo).

¿Y las transiciones de fase?

Las transiciones de fase son el momento en el que la materia cambia de un estado a otro, y lo más habitual es que ocurran con los cambios de temperatura: si calientas el hielo, pasa de sólido a líquido; si calientas el agua, pasa de líquido a gas. Al aumentar la temperatura, la energía de esa materia es mayor, sus átomos se mueven más rápido y su estructura es menos fija.

¿Y si la temperatura baja en vez de subir? Con el frío comienzan a ocurrir cosas raras. Por ejemplo: la resistencia que habitualmente se encuentran las partículas al moverse desaparece, tal y como ocurre con las corrientes eléctricas al circular por un superconductor.

Estas observaciones eran comunes en los materiales tridimensionales, explica Sierra, pero en los años 70 se creía que no podían ocurrir en materiales bidimensionales. Los investigadores creían que las fluctuaciones térmicas destruían cualquier orden existente en los materiales planos. Thouless y Kosterlitz cambiaron esta idea con sus estudios.

¿Cómo lo hicieron?

Describieron un fenómeno llamado transición KT (sus iniciales), que se considera uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX en la física de la materia condensada. Su transición no es como la ordinaria, la que ocurre entre el hielo y el agua. En su caso, el papel principal lo juegan unos pequeños vórtices que, a bajas temperaturas, se enlazan con fuerza entre sí, a pesar de estar separados en la distancia. Cuando la temperatura aumenta, la transición tiene lugar: los enlaces se rompen, los vórtices se separan y se mueven por el material bidimensional por su cuenta.

Desde entonces, esa transición KT se ha demostrado útil para describir distintos materiales en pocas dimensiones, y también ha sido confirmada de manera experimental.

¿Eso es todo?

Claro que no, hay mucho más. En los año 80, Thouless y Haldane, por separado, presentaron trabajos pioneros en los que desafiaban las teorías anteriores. Una de ellas, propuesta en los años 30 y por entonces considerada como bien explicada y entendida, era que la mecánica cuántica era la clave para determinar qué materiales podían conducir la electricidad.

En 1983, Thouless demostró que la explicación estaba incompleta, y que para hablar de bajas temperaturas en campos magnéticos fuertes hacía falta otra teoría, en la que los conceptos topológicos eran vitales. Más o menos a la vez, Haldane llegaba a la misma (e inesperada) conclusión al analizar cadenas de imanes atómicos (materiales unidimensionales).

Thouless demostró que la explicación estaba incompleta, y que [...] hacía falta otra teoría, en la que los conceptos topológicos eran vitales

Lo que Thouless describió de forma teórica usando topología es el llamado efecto Hall cuántico, descubierto en 1980 por otro físico, Klaus von Klitzing. Von Klitzing había estudiado lo que ocurría al situar una fina capa conductora entre dos semiconductores, enfriar los electrones hasta unos pocos grados por encima del cero absoluto (-273) y someterlos a un campo magnético fuerte.

En física, es habitual que ocurran cosas drásticas al bajar la temperatura, pero en el caso del efecto Hall cuántico, la situación es algo más compleja: la conducción eléctrica parecía asumir solo una serie de valores particulares, muy precisos, y las mediciones mostraban los mismos resultados incluso si la temperatura, el campo magnético o la cantidad de impurezas del semiconductor variaban.

Eso sí, cuando el campo magnético variaba lo suficiente, la conducción también cambiaba, pero solo en pasos enteros: al reducir la fuerza del campo electromagnético, la conducción se duplicaba, luego triplicaba, luego cuadruplicaba… Igual que ocurre con los agujeros en la esfera, el donuts, un antifaz…

¡Ah, la topología!

Exacto. Se llamó a este fenómeno fluido cuántico topológico.

El descubrimiento de Haldane era el primer ejemplo de un nuevo tipo de material topológico, un área ahora en alza dentro del campo de la materia condensada

Mientras tanto, en un trabajo de 1982, Haldane hizo otra predicción que también soprendió a los expertos de la época. Analizando las cadenas de átomos magnéticos que se forman en algunos materiales, descubrió que sus propiedades eran fundamentalmente diferentes dependiendo del carácter de esos diminutos imanes, y que algunas de ellas eran topológicas.

Al principio nadie creyó en el razonamiento de Haldane sobre las cadenas atómicas, pero resultó que su descubrimiento era el primer ejemplo de un nuevo tipo de material topológico, un área ahora mismo en alza dentro del campo de la materia condensada.

¿Y todo esto para qué sirve?

Mucho cuidado con preguntarle eso a un físico teórico. Para que no corras ese riesgo, lo hemos hecho nosotros.

Germán Sierra explica que los materiales topológicos pueden tener grandes aplicaciones dentro de la electrónica, las telecomunicaciones y la computación cuántica. “Se trata de materiales que se mantienen estables aunque sufran cambios a su alrededor”.

Bueno, pero y las ondas gravitacionales, ¿qué?

Sí, todos apostábamos por las ondas gravitacionales, pero al parecer la confirmación de su descubrimiento llegó cuando la ventanilla de los Nobel 2016 ya estaba cerrada. No pasa nada. Ya llegará su momento. Piense que los trabajos ahora premiados tienen más de tres décadas de antigüedad.

Sus trabajos abrieron nuevas vías de investigación, demostraron el valor del pensamiento multidisciplinar y desafiaron las teorías establecidas en la época

“Yo también apostaba por las ondas gravitacionales, pero estoy muy contento con que hayan premiado a Thouless, Haldane y Kosterlitz. Sus trabajos abrieron nuevas vías de investigación, han demostrado el valor de un pensamiento multidisciplinar y fueron pioneros desafiando las teorías establecidas en la época”, explica Sierra.

Eso para que volvamos a hacer caso de las quinielas.