Desentrañando estados exóticos de la materia

Gases, líquidos y sólidos son las fases habituales de la materia, en la que los efectos cuánticos se ocultan a menudo por los movimientos atómicos al azar. Pero en el frío extremo, cerca del cero absoluto (-273º Celsius) la materia asume nuevas fases extrañas y se comporta de forma inesperada. La física cuántica se vuelve visible. (Imagen: Real Academia de Ciencias Sueca.)

Gases, líquidos y sólidos son las fases habituales de la materia, en la que los efectos cuánticos se ocultan a menudo por los movimientos atómicos al azar. Pero en el frío extremo, cerca del cero absoluto (-273º Celsius) la materia asume nuevas fases extrañas y se comporta de forma inesperada. La física cuántica se vuelve visible. (Imagen: Real Academia de Ciencias Sueca.)

Zacatecas, Zac.-Las aportaciones de David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, ganadores del Premio Nobel de Física 2016, por “los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y fases topológicas de la materia”, son consideradas de las más importantes del siglo XX en la física de la materia condensada  que permite estudiar estados exóticos de la materia en temperaturas muy altas o muy bajas. Estas contribuciones han influido en otras investigaciones alrededor del mundo. 

En especial la obra de David Thouless ha sido utilizada por Gerardo García Naumis, investigador del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México. “Siempre he admirado mucho los trabajos de Thouless, he estudiado a detalle sus ecuaciones y siempre me han parecido maravillosas. Veía una gran chispa en su trabajo, por la lógica que iba siguiendo, la matemática”, indicó en entrevista para la Academia Mexicana de Ciencias.

García Naumis ha realizado estudios afines a los realizados por los investigadores laureados, ya que le interesa ver qué pasa con la deformación del grafeno, material en el que ha encontrado fases topológicas y el efecto Hall cuántico desarrollado por Douglas Richard Hofstadter. “La idea es modificar las propiedades electrónicas del grafeno. Vemos qué pasa si se le empieza a estirar, qué le sucede a sus propiedades ópticas, cómo cambia la absorción o emisión de luz, así como la convección electrónica de material cuando ocurre eso. Empezamos a encontrar que el grafeno se comportaba de manera muy similar al de un cuasicristal”.

El grafeno, que es un cristal de carbono de forma hexagonal, es más fuerte que el acero porque tiene enlaces muy parecidos a los del diamante. Se puede deformar sin romperse. Es así que este material se ha convertido en una promesa porque ha abierto la puerta a un mundo para estudiar sistemas bidimensionales, es decir, que solo tienen un átomo de espesor como el fosforeno o el siliceno —ya hay toda una familia de materiales— mismos que se pueden traducir en mejoras tecnológicas como pantallas de grafeno o reemplazar al silicio que se utiliza en las computadoras actuales.

Se considera a los galardonados con el Nobel de Física 2016 pioneros en este campo de investigación, porque cambiaron el paradigma que se tuvo durante 300 años sobre cómo se organiza la materia. No solo son los estados líquido, sólido y gaseoso. “Michael Kosterlitz, de la Universidad Brown, y David Thouless, de la Universidad de Washington, empezaron en los años 70 a estudiar la superfluidez en dos dimensiones, la gente decía que no era posible pero demostraron que sí lo es porque se degeneraban vórtices que no se habían tomado en cuenta. Estos vórtices son como los remolinos que tenemos en la cabeza o los tornados pero a nivel microscópico. Pensaron que podría ser un problema de magnetismo y  demostraron que se trata de un problema de la topología”, indicó el doctor en física.

La topología es el área de las matemáticas que describe las propiedades de los cuerpos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas, por ejemplo, cuando se estira un objeto, retuerce o deforma, pero no está desgarrado. Los vórtices son parte de esta rama, se forman, entre otros ejemplos, cuando se avienta una tarjeta al aire, esta empieza a girar y es porque se genera un vórtice en el aire, o si se destapa una tina de baño el remolino que se forma es un vórtice.

“Y eso es básicamente lo que está en esencia en el trabajo de los galardonados con el Premio Nobel de Física de este año, que se forman vórtices en el estado sólido de los materiales. Ellos se dieron cuenta que es muy importante este fenómenos en transiciones de fase en el estado sólido o líquido”.

El especialista en sistemas desordenados y cuasiperiódicos agregó que a principios de la década de los 80, Thouless estudió qué le pasaba a los electrones en un material cuando se le coloca en un campo magnético y encontró que las propiedades electrónicas ocurren por saltitos dados por esas propiedades topológicas. Descubrió que había un nuevo tipo de física ahí. Por su parte, Duncan Haldane, de la Universidad Princeton, aplicó estas ideas a sistemas magnéticos. En su opinión, son tres trabajos diferentes con un hilo común.

En ese sentido, es que García Naumis consideró que se trataba de un anuncio esperado porque en los últimos años ha habido avances muy importantes y ha dado lugar a muchos trabajos experimentales para demostrar la superfluidez de un material organizado en dos dimensiones. “Aquí la mecánica cuántica es fundamental porque con sus trabajos demostraron que existen fases cuánticas, es decir, propiedades cuánticas diferentes. Si se modifican las condiciones externas a un sistema, el sistema cuánticamente se organiza de maneras diferentes. La conducción eléctrica en una u otra fase puede ser muy diferente, entonces ocurren saltos”. 

Este conocimiento ya ha tenido efectos en la metrología, para medir las constantes físicas fundamentales de las pesas y medidas, como en la constante de Planck y Ohm, que es la medida de la resistencia electrónica. A futuro repercutirá en la espintrónica, que es el control casi individual de los electrones, ya que permitirá tener transistores más pequeños y también en el área de la computación cuántica los ordenadores serán mucho más poderosos que los que usamos hoy en día.

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