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El Premio Nobel en Física 2016 explicado por un docente del Balseiro

Crédito: The Nobel FoundationLa Real Academia de Ciencias Sueca ya anunció quiénes son los ganadores de 2016 del Premio Nobel en Física. Se trata de tres físicos británicos que viven en los Estados Unidos: David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz. Fueron galardonados por abrir “la puerta hacia un mundo desconocido en el que la materia puede asumir estados extraños”. En esta nota, un docente del Instituto Balseiro que trabaja en este mismo campo responde una serie de preguntas para explicar el tema.

Fecha de publicación: 06/10/2016

Una mitad del Premio Nobel en Física 2016 fue otorgada a David J. Thouless, que trabaja en la Universidad de Washington. La otra mitad fue recibida por F. Duncan M. Haldane, de la Universidad de Princeton, y J. Michael Kosterlitz, de Universidad de Brown. Los tres físicos trabajan en el campo de la física de la materia condensada. Fueron galardonados “por introducir los conceptos y aportar al desarrollo de la teoría de las transiciones de fases topológicas y las fases topológicas de la materia”.

En un comunicado de prensa, la Real Academia de Ciencias de Suecia informa: “Han usado métodos matemáticos para estudiar fases o estados inusuales de la materia, tales como los superconductores, superfluidos o películas magnéticas delgadas”. Y detalla que gracias a ese trabajo pionero, en la actualidad investigadores de todo el mundo están a la caza de fases nuevas y exóticas de la materia, con la esperanza de que estos conocimientos puedan tener potenciales aplicaciones en la ciencia y la electrónica.

Los científicos laureados utilizaron conceptos de una rama de las matemáticas llamada “topología” para describir los fenómenos cuánticos que ocurren en sistemas de baja dimensionalidad (como delgadas capas o hilos de materiales). Demostraron, por ejemplo, que la superconductividad podía ocurrir en estos materiales a muy bajas temperaturas y explicaron por qué ese mecanismo desaparece a temperaturas más altas (una transición de fase), según indica el mismo comunicado.

“La física de la materia condensada busca entender las propiedades de lo que usualmente llamamos sólidos, aunque es más amplio que ello. Por ejemplo, se busca comprender por qué un material es metal y conduce bien la electricidad y otro es un aislante”, explica el profesor del Instituto Balseiro, Gonzalo Usaj, con respecto al campo en el que investigan Thouless, Haldane y Kosterlitz. Y agrega: “También se busca entender por qué hay otros materiales que son semiconductores, superconductores o magnéticos, entre otros, y cómo permiten el transporte de fenómenos como la electricidad, la luz y el calor”.

Investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Usaj trabaja en el grupo de teoría de la materia condensada del Centro Atómico Bariloche. El docente, que realizó sus estudios de grado y doctorado en la Facultad de Astronomía, Matemática y Computación (FAMAF) de la Universidad Nacional de Córdoba, y en Bariloche investiga en el campo del transporte cuántico y en particular en el tema de aisladores topológicos, un área que surgió a partir de los trabajos de Haldane.

-¿Podría contar por qué según la Real Academia de Ciencias de Suecia los tres recientes laureados abrieron la “puerta hacia un mundo desconocido en el que la materia puede asumir estados extraños”?

-La materia que nos rodea se encuentra en distintos estados o fases y entender las razones por lo que eso ocurre y cómo se pasa de una a otra es uno de los desafíos de la física. Antes del trabajo de estos científicos se entendía bien por qué un líquido se solidifica al enfriarlo o por qué un imán pierde sus propiedades al calentarlo. En ambos casos hay un cambio en el “orden”, en la simetría, del sistema: en la posición y la orientación de los átomos en el primero; y en la dirección de los “imanes” microscópicos, los espines, en el segundo. Pero había otros casos que no encajaban en esta idea. Ellos se dieron cuenta que había otra propiedad o característica de los sistemas que estaba cambiando y lo relacionaron al concepto matemático de la topología. Eso fue totalmente inesperado.

-¿Qué es la topología y en qué consisten estos “estados extraños” o fases topológicas?

-La topología es la rama de la matemática que estudia las propiedades de los objetos que permanecen inalteradas cuando estos objetos son deformados de manera continua, sin “rasgarlos”, por decirlo de alguna manera. El ejemplo más usado es comparar una esfera y una taza sin manija hechas de plastilina. Uno puede deformar una llevándola a la otra forma suavemente, sin romper la plastilina, ya que las dos son topológicamente iguales. Pero si la taza tuviera una manija eso no sería posible porque en algún momento uno debe crear un agujero. La taza con manija es equivalente no a una esfera sino a una anillo tipo dona (que en inglés llaman “bagel”).

-¿Entonces qué son las fases topológicas y sus transiciones?

-En los sistemas físicos ocurren cosas parecidas a lo que estaba mencionando: en algunas fases los sistemas se portan como tazas sin manija y en otras como si la tuvieran. Y los pasos de una a otra, algo que ocurre necesariamente de manera abrupta, se denominan las transiciones de fase topológicas. Lo importante es que esas propiedades, algo abstractas a veces, tienen consecuencias físicas importantes como la aparición de vórtices o estados que conducen muy bien la electricidad.

-A muy bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto (273 grados Celsius bajo cero) algunos materiales se vuelven superconductores de la electricidad. Los premiados postularon que en capas muy delgadas de materia también podía ocurrir este fenónemo. ¿Cuáles fueron sus aportes teóricos puntuales?

-Las ideas de Kosterlitz y Thouless permitieron entender por qué los sistemas bidimensionales pueden tener una fase superconductora a baja temperatura. Thouless también explicó por qué ciertas características del transporte de corriente en gases de electrones bidimensionales presenta características que cambian de manera discreta, algo que es llamado el “efecto Hall cuántico”. Por otro lado, las ideas de Haldane permitieron comprender las propiedades de hilos hechos con átomos magnéticos que se comportan como pequeños imanes acoplados. Los trabajos de Haldane fueron también el puntapié inicial para el advenimiento de lo que hoy se conoce como aislantes topológicos, que pueden ser tridimensionales también.

-¿A qué le llaman materiales topológicos? ¿Y por qué generan tanto revuelo con respecto a posibles aplicaciones en la electrónica en el futuro?

-Son aquellos en los que estas propiedades topológicas están presentes, es decir, son “tazas con manija/s”. En los últimos años han generado gran expectativa porque los científicos nos hemos dado cuenta que son más comunes de lo que pensábamos y que poseen una gran variedad de propiedades. En el caso de los aislantes topológicos, por ejemplo, tienen la particularidad de poder conducir muy bien la electricidad por su superficie aún en presencia de imperfecciones en el material, justamente debido a que el aspecto topológico los hace robustos (no es sencillo eliminar la ‘manija’). En forma más especulativa, se piensa que estos sistemas pueden contribuir al desarrollo de sistemas que permitan hacer computación cuántica, que en pocas palabras busca aprovechar las propiedades cuánticas de los átomos para ser mucho más veloz que la computación clásica.

-¿Y a nivel experimental? ¿Cuál ha sido el impacto de los aportes de los tres laureados?

-Es difícil puntualizar un resultado único y representativo. Los tres contribuyeron a que los experimentos existentes puedan ser comprendidos dentro de un marco de reglas, en una teoría, y con ello hacer predicciones que originaron nuevos experimentos y el desarrollo de aplicaciones. Seguramente en los próximos años seguiremos viendo más resultados.

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Área de Comunicación del Instituto Balseiro

San Carlos de Bariloche, 06/10/2016

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