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). |
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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.
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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 |
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