Nobel de Física por entender la materia exótica

David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz entendieron cómo funciona la materia más allá de los estados sólido, líquido y gaseoso.

Michael Kosterlitz, David Thouless y Duncan Haldane. AFP y EFE

La razón por la que tres grandes científicos británicos recibieron el Nobel de Física 2016 suena como de otro mundo: “Por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia”. Un avance científico que, detrás de la complejidad de las palabras, permitió entender cómo funciona la materia en estados inusuales o exóticos.

Es probable que de nuestras clases de física del colegio recordemos un principio básico: la materia suele presentarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. La transición de uno a otro depende de ciertas variables, entre ellas la temperatura a la que se somete. Pero ¿qué pasa en los estados inusuales, extraños o exóticos que se escapan de estas tres categorías, como la que forma parte de los superconductores, los superfluidos y las películas magnéticas?

Esta fue la pregunta que durante varios años y a través de un modelo matemático respondieron David J. Thouless, profesor de la Universidad de Washington; Duncan Haldane, de la Universidad de Princeton, y Michael Kosterlitz, de la Universidad de Brown, quienes fueron galardonas por la Real Academia Sueca de las Ciencias.

En condiciones de extrTemo calor o frío, superando los -273 °C, por ejemplo, la materia puede asumir condiciones inusuales, como ser bidimensional. Un estado que, a diferencia del sólido, el líquido o el gaseoso, no puede estudiarse desde sus características geométricas, sino desde sus características topológicas, es decir, por cómo están ordenados sus pocos átomos en el espacio.

En 1972, Kosterlitz y Thouless estudiaron los fenómenos que se dan en estos estados inusuales, que por estar organizados en capas tan delgadas pueden considerarse bidimensionales, y por ende tienen lógicas distintas al mundo tridimensional, que es como la física había explicado hasta ahora el mundo.

Reunidos en Birmingham (Reino Unido), ambos científicos describieron cómo se da la transición de la materia cuando está en un estado bidimensional, negando una idea de la física que hasta el momento se daba por sentada, según la cual se entendía que cuando la materia se conforma como una planicie, no tiene transiciones debido a que no existe un “orden”. La explicación de cómo se da “la transición de fases topológica”, como se conoció más tarde este fenómeno, ha permitido que hoy se pueda pensar en computadores cuánticos más ágiles. Además rompió el mito de que en capas delgadas la materia pierde la superconductividad y la superfluidez.

De hecho, en 1980, Thouless realizó un experimento con capas conductoras de electricidad muy finas —bidimensionales—, en el que logró medir que la facilidad para conducir la electricidad se da a pasos enteros. Es decir, es topológica. Al mismo tiempo, Haldane utilizó la misma lógica de números enteros para concluir que cuando las cadenas de imanes están conformadas por pares son topológicas, pero cuando están conformadas por imanes impares no lo son. Detrás de ambas conclusiones se encuentra el modelo matemático que tanto alboroto generó en el mundo de la ciencia y que se llevó el galardón.

Las matemáticas de los “huecos”

Para explicar el modelo matemático, lo más fácil, concluyó Thors Hans Hanson, miembro del comité de física de los premios durante la ceremonia de premiación, es acudir a su lonchera de almuerzo. De ella saca un rollo de canela, sin ningún agujero, un bagel con un hueco en el centro y un pretzel con dos agujeros. “Aunque los tres varían en sabor y tamaño, lo que importa a los ojos de un topólogo es el número de agujeros”, explicó.

Esto se conoce como topología matemática, en la que los números sólo son enteros y nunca hay un intermedio. Un bagel, por ejemplo, no puede tener un hueco y medio. Mientras que si se parte a la mitad, el pretzel pasará de tener un hueco a dos. Así como con los huecos del almuerzo de Hanson, la conducción eléctrica en algunos estados cuánticos sólo cambia en pasos que son múltiplos de números enteros.

La topología detrás del rollo de canela, el bagel y el pretzel les permitió a los físicos entender que cuando algunos materiales se enfrían pueden pasar de ser un conductor eléctrico a un superconductor, donde los electrones fluyen sin resistencia. Un nuevo paso para conocer cuáles son las lógicas que oculta el desconocido mundo de los estados inusuales de la materia.

Por acompañar el proceso entero por más tiempo, Thouless recibió la mitad del premio, mientras la otra mitad fue repartida entre Haldane y Kosterlitz por sus contribuciones al campo que, desde entonces, ha permitido que otros científicos descubran nuevas fases topológicas, no sólo en las capas bidimensionales, sino en estados tridimensionales.

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