David J. Thouless, Duncan M. Haldane y Muchael Kosterlitz
Nobel de Física para los descubridores de los secretos de la materia exótica
Las ondas gravitacionales se quedan para otro año. El comité de los Nobel ha querido reconocer a tres científicos británicos por revelar los secretos de la materia exótica
Premio Nobel de Física ha recaído este año enDavid Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz por el "estudio de transiciones de fase topológicas", según ha anunciado esta mañana la academia de ciencias sueca.
Los premiados de este año "abrieron la puerta a un mundo desconocido hasta entonces en el que la materia puede asumir estados extraños", explica el fallo del jurado, utilizando métodos de matemáticas avanzadas para analizar fases, o estados, inusuales de la materia, como los superconductores, los superfluidos o los films magnéticos.
Gracias a su trabajo pionero, físicos de todo el mundo trabajan ahora buscando nuevas y exóticas fases de la materia. Hay grandes esperanzas en sus usos futuros dentro de las ciencias de los materiales y la electrónica.
El uso de conceptos topológicos dentro de la física fue decisivo para sus descubrimientos. La topología es la rama de las matemáticas que describe las propiedades de la materia que solo cambia siguiendo un paso tras otro.
Utilizando la topología como herramienta, consiguieron superar a los expertos de la época. En la década de los 70, Michael Kosterlitz y David Thouless utilizaron esos conceptos matemáticos para estudiar los fenómenos que surgen en un mundo plano, en superficies tan finas que se pueden considerar bidimensionales. Con sus trabajos dieron la vuelta a las teorías del momento de que la superconductividad o la superfluidez no podían ocurrir en capas finas de materia, demostrando que la superconductividad puede ocurrir a bajas temperaturas y también explicando el mecanismo, llamado fase de transición, que hace que la superconductividad desaparezca a altas temperaturas.
Años después, en los 80, Thouless fue capaz de explicar un experimento previo, con capas conductoras de electricidad muy finas en las que la conductividad se podía medir de forma precisa en pasos completos. Demostró que esos pasos eran topológicos en su naturaleza. En torno al mismo tiempo, Duncan Haldane descubrió cómo se pueden utilizar conceptos topológicos para entender las propiedades de la cadenas de pequeños imanes encontrados en algunos materiales, tan finas que se podrían considerar unidimensionales.
Ahora, los científicos saben mucho sobre las fases topológicas, no solo en capas finas o encadenadas, sino también en materiales tridimensionales ordinarios. En la última década, este área ha florecido como investigación de primera línea dentro de la física de la materia condensada, en parte por la esperanza de que los materiales topológicos se podrán usar en una nueva generación de componentes electrónicos y de superconductores, e incluso en la futura computación cuántica. Una investigación que proviene directamente del trabajo de los premiados con este Nobel, que fueron los primeros en revelar los secretos de la materia exótica.
La física que tiene lugar en un mundo tan plano es muy distinta a la que los científicos pueden observar en el mundo tridimensional que nos rodea. Incluso si un material plano consiste en millones de átomos, y el comportamiento de cada átomo se puede explicar perfectamente utilizando la física cuántica, sus propiedades serán completamente distintas cuando se juntan esos millones de átomos. Esos fenómenos colectivos en superficies planasse siguen estudiando hoy en día, y por ello la física de la materia condensada es un campo en crecimiento.
El comportamiento de los materiales planos
A un nivel muy, muy básico, toda la materia se rige por las leyes de la física cuántica. En gases, líquidos y sólidos, los estados habituales de la materia, es habitual que esos efectos cuánticos estén ocultos por movimientos aleatorios de los átomos. Pero a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto (273 grados bajo cero), la materia asume estados distintos y se comporta de forma inesperada: la física cuántica, normalmente solo observable en la microescala, de pronto se hace visible.
Además, el paso entre los estados habituales de la materia se suele producir cuando la temperatura cambia (cuando aumenta la temperatura, el hielo se convierte en agua), pero al observar el aún poco conocido mundo de la materia bidimensional, los científicos reconocen que las fases aún no están del todo exploradas y que al bajar la temperatura ocurren cosas inesperadas. Por ejemplo, que la resistencia que se encuentran las partículas en movimiento desaparece. Esto es lo que ocurre cuando la corriente circula por un superconductor, o cuando se produce un vórtice en un superfluido que gira sin descanso sin disminuir su velocidad.
Por este motivo, loscientíficos creyeron durante muchos años que las fluctuaciones en la temperatura destruían el orden en el mundo bidimensional, y si no hay fases ordenadas, no hay fases de transición. Pero en los años 70, cuando Thouless y Kosterlitz se conocieron en Birmingham, pusieron a prueba esa teoría, entonces generalmente aceptada. Juntos encararon el problema de las transiciones entre fases en los materiales planos, lo cual resultó en un nuevo conocimiento sobre las fases de transición. El suyo se considera uno de los mayores descubrimientos del siglo XX en la física de la materia condensada, bautizada como la transición KT, las iniciales de sus apellidos.
La fase de transición topológica no es una fase de transición ordinaria, como la que tiene lugar entre el agua y el hielo. En esta, el papel principal lo juegan unos pequeños vórtices que se encuentran en el material plano. A bajas temperaturas, forman estrechas uniones por parejas, pero al calentarse, tiene lugar la fase de transición y entonces se separan unas de otras, moviéndose por el material cada una por su cuenta.
La teoría de la transición KT comenzó a emplearse en distintos materiales, siempre que tuviesen pocas dimensiones, ya que se demostró universal. Por ello se convirtió en una herramienta muy útil que no solo se aplica en el mundo de la materia condensada, sino también en otras áreas de la física, como la física atómica o la mecánica estadística, y que ha sido confirmada experimentalmente en varias ocasiones.