De izquierda a derecha, David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane y J. Michael Kosterlitz. Los tres investigadores han sido galardondos con el premio Nobel de física por haber introducido herramentas topológicas para describir las fases cuánticas de la materia. [N. Elmehed; Fundación Nobel.]
El premio Nobel de física ha sido concedido este año a David J. Thouless, de la Universidad de Washington en Seattle; F. Duncan M. Haldane, de la de Princeton, y J. Michael Kosterlitz, de la Universidad Brown, «por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia». Una mitad del premio ha ido a parar a Thouless, mientras que la otra ha recaído sobre Haldane y Kosterlitz.
«Los laureados abrieron la puerta a un mundo desconocido en el que la materia puede adoptar estados extraños», explica la Fundación Nobel en la nota de prensa en la que ha dado a conocer el premio. Hoy, «muchas personas tienen la esperanza puesta en las futuras aplicaciones [de estos hallazgos] tanto en ciencia de materiales como en electrónica», continúa el comunicado.
El término fases de la materia hace referencia a las distintas formas en que pueden organizarse los constituyentes microscópicos de un material (como sus átomos o moléculas) para dar lugar a estados con distintas propiedades macroscópicas. Un ejemplo familiar lo hallamos en el agua, en la que las mismas moléculas de H2O pueden acomodarse de un modo u otro para dar lugar a los estados sólido, líquido o gaseoso. Una transición de fase tiene lugar cuando, al variar suavemente alguno de los parámetros que definen las propiedades de la sustancia (como su presión o temperatura, por ejemplo), esta cambia abruptamente de un estado a otro.
Los hallazgos honrados este año por la Academia Sueca de las Ciencias hacen referencia a una versión cuántica y sutil del ejemplo anterior. En primer lugar, las fases de la materia estudiadas por los galardonados guardan una estrecha relación con las propiedades cuánticas del material; un ejemplo bien conocido de fase cuántica es la superconductividad, el fenómeno por el que algunos materiales dejan de oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura. Pero, sobre todo, los ahora galardonados demostraron que algunas fases cuánticas de la materia y sus respectivas transiciones podían entenderse echando mano de una rama de las matemáticas que, hasta entonces, nadie había sabido relacionar con tales procesos: la topología.
La topología trata sobre aquellas propiedades de un objeto que permanecen invariantes cuando lo deformamos. Una taza de café y una rosquilla, por ejemplo, son topológicamente equivalentes, ya que, si fuesen de barro, la primera podría moldearse suavemente hasta adoptar la forma de la segunda, sin que para ello sea necesario cortarla, agujerearla o anexionarle otros trozos. En este caso, un ejemplo de propiedad toplógica sería el número de agujeros: tanto la rosquilla como la taza tienen solo uno (en el caso de la taza, en el asa). Una propiedad especialmente relevante de las propiedades topológicas de un cuerpo es que son extraordinariamente «robustas», en el sentido de que permanecen inmutables ante todo tipo de deformaciones suaves.
En los años setenta, Kosterlitz y Thouless describieron un tipo de transición de fase completamente nueva en algunos materiales bidimensionales. A principios de los ochenta, Thouless y Haldane desarrollaron métodos teóricos para caracterizar ciertas fases de la materia en términos topológicos. En 1982, Thouless y sus colaboradores emplearon la topología para dar cuenta del «efecto Hall cuántico»; es decir, los saltos discretos que experimenta la resistencia de una placa metálica inmersa en un campo magnético externo. Y, un año después, Haldane hizo uso de dichas herramientas matemáticas para describir las «cadenas de espín» que aparecen en el seno de algunos materiales. Es importante señalar que, tanto aquí como en otros casos, los conceptos topológicos hacen referencia a las propiedades matemáticas de la función de onda cuántica de las partículas del material, no a la geometría física del objeto.
Con el tiempo, esa manera de entender las fases cuánticas de la materia y sus respectivas transiciones en términos topológicos —y no en terminos de orden o de simetría, como había ocurrido hasta entonces— acabaría dando lugar a toda una avalancha de investigaciones en física del estado sólido y al hallazgo de nuevos materiales, como los aislantes o los superconductores topológicos. Hoy, tales materiales están en el punto de mira de numerosos investigadores de todo el mundo tanto por su profundo interés teórico como por sus potenciales aplicaciones en electrónica, superconductividad o computación cuántica.
Más información en la página web de la Fundación Nobel (nota de prensa, información para el público general, información avanzada).
Fuente: Fundación Nobel
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