Física y Quimica

Premio Nobel de Física 2016

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

Texto: adaptado y traducido de la Fundación Nobel

Más información:

  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Física 2016

David J. Thouless

F. Duncan M. Haldane

J. Michael Kosterlitz

"Por los descubrimientos teóricos de transiciones de fase topológicas  y fases topológicas de la materia."

David J. Thouless (1934). Reino Unido

F. Duncan M. Haldane (1941). Reino Unido

J. Michael Kosterlitz (1943). Reino Unido

 

Traducción del inglés  Documento Fundación Nobel traducido

Los laureados de este año abrieron la puerta a un mundo desconocido donde la materia existe en estados extraños. La mitad del Premio Nobel de Física 2016 se concede a David J. Thouless, de la Universidad de Washington, Seattle, y la otra mitad a F. Duncan M. Haldane, de la Universidad de Princeton, y J. Michael Kosterlitz, de la Brown University, Providence. Sus descubrimientos han traído consigo avances en la comprensión teórica de los misterios de la materia y han creado nuevas perspectivas sobre el desarrollo de nuevos materiales.

La topología es una rama de las matemáticas que estudia cuáles son las propiedades de los cuerpos geométricos que no cambian cuando los deformamos de manera suave (sin rotura). Con la topología moderna como herramienta los laureados de este año presentaron resultados sorprendentes que han abierto nuevos campos de investigación y han llevado a la creación de nuevos e importantes conceptos dentro de varias áreas de la física.

A principios de los años setenta, David Thouless y Michael Kosterlitz asumieron el problema de las transiciones de fase en dos dimensiones logrando una comprensión nueva de las transiciones de fase que se considera como uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX en la física de la materia condensada. Se llama transición de KT (transición de Kosterlitz-Thouless) o la transición de BKT, donde el B es por Vadim Berezinskii, un físico teórico de Moscú ahora fallecido que había presentado ideas similares.

La transición de fase topológica no es una transición de fase ordinaria, como la que existe entre el hielo y el agua. El papel principal en una transición topológica es desempeñado por pequeños vórtices en el material bidimensional. A temperaturas bajas forman parejas. Cuando la temperatura aumenta, se produce una transición de fase: los vórtices se alejan repentinamente uno del otro y navegan en el material por sí mismos (ver figura).

David Thouless describió teóricamente, usando la topología, el efecto Hall cuántico (descubierto en 1980 por Klaus von Klitzing) al estudiar una delgada capa conductora entre dos semiconductores, donde los electrones fueron enfriados a unos pocos grados por encima del cero absoluto y sometidos a un fuerte campo magnético

La conductividad eléctrica en la capa toma solo valores particulares. Las mediciones proporcionan exactamente los mismos resultados incluso si la temperatura, el campo magnético o la cantidad de impurezas en el semiconductor varían. Cuando el campo magnético cambia lo suficiente, la conductividad de la capa también cambia, pero a saltos; si se reduce la fuerza del campo magnético, la conductividad eléctrica primero se hace dos veces más grande, después se triplica, cuadruplíca, y así sucesivamente. Estos saltos no podían explicarse por la física conocida en ese momento, pero David Thouless encontró la solución a este enigma usando la topología.

En el efecto Hall cuántico los electrones se mueven relativamente libres en los semiconductores y forman algo llamado fluido cuántico topológico. De la misma manera que cuando muchas partículas se juntan, aparecen nuevas propiedades, los electrones en el fluido cuántico topológico, también muestran características sorprendentes. Del mismo modo que no se puede determinar si hay un agujero en una taza de café mirando sólo una pequeña parte de ella, es imposible determinar si los electrones han formado un líquido cuántico topológico si solo se observa lo que está sucediendo a algunos de ellos. Sin embargo, la conductividad describe el movimiento colectivo de los electrones y, debido a la topología, varía a saltos; está cuantizada. Otra característica del fluido cuántico topológico es que en sus bordes presenta propiedades inusuales.

En 1988 Duncan Haldane descubrió que los fluidos cuánticos topológicos, como el del efecto Hall cuántico, pueden formarse en capas semiconductoras finas, incluso cuando no hay campos magnéticos.

En un trabajo muy anterior (de 1982), Duncan Haldane hizo una predicción que sorprendió incluso a los especialistas. En estudios teóricos de cadenas de átomos con propiedades magnéticas que hay en algunos materiales, descubrió que las cadenas tenían propiedades diferentes dependiendo del carácter de los imanes atómicos. En física cuántica existen dos tipos de imanes atómicos, pares e impares. Haldane demostró que una cadena formada de imanes pares es topológica, mientras que una cadena de imanes impares no lo es. Al igual que en el caso del fluido cuántico topológico, no es posible determinar si una cadena atómica es topológica, o no, investigando solo una pequeña parte de ella. Y, al igual que en el caso del fluido cuántico, las propiedades topológicas se revelan en los bordes. Eso es así porque en los extremos de la cadena  la propiedad cuántica conocida como spin tiene un valor semientero

Los fluidos Hall cuánticos y las cadenas atómicas magnéticas están incluidos en este nuevo grupo de estados topológicos. Más tarde los investigadores descubrieron otros estados topológicos inesperados de la materia, no sólo en cadenas y en los bordes de capas delgadas, sino también en materiales tridimensionales ordinarios.

Actualmente estamos empezando a hablar de aislantes topológicos, superconductores topológicos y metales topológicos. Estos son ejemplos de áreas que en la última década han definido la investigación de primera línea en física de la materia condensada, con la esperanza de que los materiales topológicos serán útiles para nuevas generaciones de dispositivos electrónicos y superconductores, o en futuros ordenadores cuánticos. La investigación actual está revelando ahora los secretos de la materia  descubierta en los exóticos mundo bidimensionales descubiertos por los premios Nobel de este año.

Más información:

Investigación y Ciencia:

Reseña Premio Nobel Física 2016:  http://bit.ly/2g6yhh8

Materiales topológicos: http://bit.ly/2feIqqR

El País: http://bit.ly/2cPEPv8

ABC Ciencia: http://bit.ly/2g5nvnG