Análisis de estados inusuales de la materia para entender la superconductividad y superfluidos

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Esas investigaciones, que dieron el Premio Nobel de Física 2016 a sus creadores, ponen las bases de una nueva rama de la física que estudia los estados topológicos

Las fases de la materia más comunes son la sólida, líquida y gaseosa, pero en condiciones extremas también puede adoptar otros estados y desarrollar propiedades inusuales, las cuales pueden tener diversas aplicaciones en tecnología.

Al impartir el coloquio “Premio Nobel de Física 2016, Transiciones de fase en 2D y Superconductores”, José Mustre de León, Director General del Cinvestav, mencionó que es importante comprender el comportamiento de la materia a escalas microscópicas para conocer el funcionamiento cuántico de sistemas de baja dimensionalidad a temperaturas muy bajas, tales como el desempeño de superconductores, superfluidos o las capas magnéticas finas.

Destacó que la trascendencia de la investigación reconocida con el Nobel de Física 2016, otorgado a David J. Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, es que se abrió la puerta a un mundo desconocido en el que la materia puede asumir diferentes estados a partir de los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia.

En el mundo macroscópico, los efectos cuánticos son con frecuencia débiles y generalmente ignorados; sin embargo, explicó que a muy bajas temperaturas (cerca de los -273 grados Celsius), nuevos estados de la materia se manifiestan y los efectos cuánticos se hacen visibles en observaciones macroscópicas. Los nombres de algunos de estos fenómenos son: las fases topológicas de la materia, superconductividad y superfluidez.

Para entender estas fases, las cuales no son usuales e imperan las normas cuánticas, es necesario entender los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia, indicó José Mustre, quien recibió clases de David J. Thouless.

La topología estudia las propiedades de modelos geométricos que no cambian cuando estos objetos se deforman por lo que, a veces, se le conoce como la geometría de los objetos de hule.

José Mustre de León mencionó que a principio de la década de los 70, Thouless y Michael Kosterlitz descubrieron juntos la llamada transición KT, una transición topológica de la materia en dimensión dos, a bajas temperaturas. Esta consiste en una transición entre una fase con pares vótice-antivórtice ligados a vórtices libres.

Aunque se pueden escribir ecuaciones muy complicadas para el estado macroscópico de la membrana delgada a partir de las leyes de la física cuántica para entender la fase de la materia, lo importante es la carga topológica. La introducción de estas ideas al estudio de estados artificiales de la materia fue una gran sorpresa para los físicos y rompió en su momento el paradigma reinante.

En la década de los 80, Thouless estudió exitosamente el misterioso efecto Hall cuántico, en el cual las mediciones tienen resultados muy precisos que saltan abruptamente, usando el concepto de fluido cuántico topológico. El motivo de las variaciones precisas y abruptas era nuevamente topológico.

Por su parte, Haldane demostró que los fluidos cuánticos topológicos pueden formarse en capas semiconductoras incluso sin la presencia de campos magnéticos fuertes, basándose en su trabajo previo sobre existencia de materiales topológicos de dimensión uno con cadenas de átomos magnetizados.