Qué es y para qué sirve la “materia exótica”

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?

MODELO MATEMÁTICO

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 extremo 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.

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.

ESTADOS EXTRAÑOS

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

¿Qué pasa en un mundo desconocido en el que la materia puede asumir estados muy extraños? Esta es la premisa que mueve a los británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitzal, que acaban de recibir el Premio Nobel de Física 2016.

El Instituto Karolinska de Estocolmo, en Suecia, anunció el galardón y dijo que los científicos fueron premiados «por sus descubrimientos teóricos sobre las llamadas transiciones de fases topológicas de la materia».

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MATERIA EXÓTICA

Thouless, Haldane y Kosterlitza han estudiado más específicamente la “materia exótica”. Si en un principio este concepto puede sonar muy extraño, no es otra cosa que el estudio en profundidad de lo que ocurre más allá de los conocidos estados líquido, sólido y gaseoso de las cosas que nos rodean.

Lo que les interesó a estos científicos que trabajan en universidades de Estados Unidos fue ver qué es lo que ocurre, cuando la materia se somete a temperaturas extremadamente altas o bajas.

Es aquí donde la materia adopta estados exóticos y abre las puertas a un mundo desconocido (y aparentemente con muchas posibilidades)

Una vez que se conoce el ambiente y las condiciones en que la materia existe, entonces es posible estudiar la materia misma. Eso es lo que se conoce como topología: un campo de la matemática que describe las propiedades que sólo cambian de forma escalonada.

Gracias a ella, Kosterlitzal y Thouless demostraron en los años 70 que la superconductividad podía ocurrir a bajas temperaturas y así lograron explicar el mecanismo que ocurre cuando esa propiedad desaparece a altas temperaturas. Con su trabajo, los científicos demostraron lo que parecía imposible.

FORMAS PLANAS

Ambos científicos se concentraron en el fenómeno dentro de las formas planas de la materia, en superficies o capas que son tan finas que pueden considerarse como bidimensionales.

(La superconductividad es la capacidad intrínseca que poseen determinados materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones).

Por su parte, en los años 80 Haldane pudo determinar cómo estos conceptos topológicos de cambios escalonados podían usarse para entender las propiedades en las cadenas de pequeños magnetos que se encuentran en algunos materiales.

Este científico estudió materia que forma hilos tan delgados que pueden ser considerados unidimensionales.

¿PARA QUÉ SIRVE?

Si bien hace tres décadas estos conceptos eran meramente teóricos, en la actualidad tienen aplicaciones en el día a día, como el desarrollo de nuevas generaciones de dispositivos electrónicos y superconductores.

«La avanzada tecnología de hoy en día -como nuestras computadoras- se basa en nuestra habilidad para entender y controlar las propiedades de los materiales involucrados», explicó el profesor Nils Martenson, presidente interino del Comité del Premio Nobel.

«Y los laureados de este año, en su trabajo teórico, descubrieron una seria deregularidades totalmente inesperadas en el comportamiento de la materia».

Image copyright Thinkstock Image caption El trabajo de estos premios Nobel es vital en la vida moderna

Martenson agregó que esto ha allanado el camino para el diseño de nuevos materiales con propiedades novedosas.

«Este puede ser el camino para construir computadoras cuánticas», dijo por su parte Thouless en una llamada telefónica que le hicieron desde el Instituto Karolinska.

Este científico fue galardonado con la mitad del premio, mientras que la otra mitad fue dividida entre Haldane y Kosterlitz. La distinción será entregada el 10 de diciembre.

DATOS

- Bajo la definición más amplia, la materia extraña podría ocurrir dentro de las estrellas de neutrones, si la presión en su núcleo es suficientemente alta (superior a la presión crítica). Al tipo de densidades que son esperables en el centro de una estrella de neutrones, la materia de quarks sería probablemente materia extraña.

- También podría ser materia de quarks no extraña, si la masa efectiva del quark extraño fuese demasiado alta. Los quarks encanto y más pesados solo ocurrirían a densidades mucho mayores.

Textos: María Mónica Monsalve y BBC Mundo