El noble de física 2016 y los nuevos estados de la materia

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Premio Nobel de Física para el descubrimiento de nuevos y 'extraños' estados de la materia

David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, ganadores del Nobel de Física 2016. N. ELMEHED

El Premio Nobel de Física ha recaído en los investigadores David J. Thouless, de la Universidad de Washington en Seattle (EEUU), y en los profesores Duncan M. Haldane, de la Universidad de Princeton, y Michael Kosterlitz, de la Universidad de Brown, quienes compartirán ex aequo la mitad del galardón, por el descubrimiento teórico de las fases topológicas y de las transiciones topológicas de la materia", según ha anunciado el comité del Nobel.

Pero, ¿qué es exactamente una fase topológica? ¿Para qué puede servir un hallazgo teórico como este?

Los ganadores de este año abrieron la puerta hacia un mundo desconocido donde la materia existe no sólo en estado sólido, líquido o gaseoso, sino también en estados extraños que no se conocían hasta la publicación de los trabajo de Thouless, Haldane y Kosterlitz. De alguna forma, los autores de estos trabajos pioneros durante los años 70 y 80 han iluminado algunos de los misterios desconocidos de la materia y han creado una nueva perspectiva para que otros científicos puedan trabajar en el desarrollo de nuevos materiales, la más puntera electrónica e incluso en la gran promesa que supone la computación cuántica.

De una manera muy simple, se trata del descubrimiento teórico de nuevos estados de la materia más allá de los límites conocidos de temperatura. Imaginemos que se trata de agua: todo el mundo sabe que por encima de 100 grados el agua se evapora en forma de gas y que por debajo de cero grados tendremos una fría roca cristalizada sólida que llamamos hielo. Pero qué ocurriría si a menor temperatura encontrásemos un nuevo estado llamado condensaciones cuánticas y que a mucha mayor temperatura ese agua que todos bebemos adoptase un nuevo estado llamado plasma.

Obviamente, no es de agua de lo que están hablando los recién galardonados con el Nobel, pero el ejemplo sirve para visualizar que su aportación es precisamente abrir la puerta a nuevos, desconocidos y extraños estados de la materia desconocidos hasta entonces. De hecho, los tres investigadores realizaron sus aportaciones estudiando superficies planas o materiales tan finos que podría considerarse que sólo tienen dos dimensiones (largo y ancho), en lugar de tres (largo, ancho y altura). Uno de ellos, Haldane, utilizó para estudiar la materia hilos tan extremadamente finos que pueden considerarse de una única dimensión (largo).

Según explica el Comité del Nobel de Física, de la Real Academia Sueca de Ciencias, en una nota divulgativa, "la física que tiene lugar en las superficies planas es muy diferente de la que podemos observar en el mundo que nos rodea". La materia está compuesta por millones de átomos incluso en materiales muy finos, y aunque el comportamiento individual de cada átomo pueda ser explicado por la física cuántica, los átomos tienen propiedades completamente diferentes cuando se juntan muchos de ellos.

En el mundo de lo diminuto, toda la materia está dominada por las leyes de la mecánica cuántica. Los sóidos, líquidos y gases son los estados habituales de la materia, en las que los efectos cuánticos están enmascarados por los movimientos aleatorios de los átomos. Pero a temperaturas extremadamente frías, cercanas al cero absoluto (-273 grados centígrados), la materia adopta nuevas y extrañas fases y se comporta de formas inesperadas. La física cuántica, que de otro modo sólo trabaja en las escalas del mundo micrométrico, de pronto se hace visible.

Y en ese mundo gélido pueden ocurrir cosas muy extrañas. La resistencia que encontramos a temperaturas más 'terrestres', creada por el movimiento de partículas, cesa a bajísimas temperaturas. Y eso es precisamente lo que ocurre cuando una corriente eléctrica fluye sin resistencia en un material superconductor o cuando un remolino da vueltas hasta el infinito en un superfluido sin apenas perder velocidad.

"Fue en el año 1983 cuando Haldane describió la existencia de fases topológicas en la materia", explicó Thors Hans Hansson, profesor de Física Teórica en la Universidad de Estocolmo (Suecia). "Estas fases topológicas se pueden visualizar muy bien con los tornados", ha dicho mientras señalaba un tornado en la pantalla de la sala de la Academia Sueca desde la que se ha anunciado el premio. "Lo habitual es ver un tornado, y puedes llegar a tener dos si tienes mala suerte -ha bromeado-, pero no puedes tener medio tornado, eso es un estado topológico".

Los tres premiados usaron estos conceptos topológicos para realizar sus descubrimientos. La topología es una rama de las matemáticas que describe propiedades que cambian de forma escalonada, no continua. En el caso de las investigaciones de Thouless, Haldane y Kosterlitz estos cambios son empujados por los cambios de temperatura.

El propio presentador del trabajo premiado, Thors Hans Hansson, se hacía la pregunta clave antes de abrir el turno de preguntas a la prensa: "¿Y esto para qué sirve, para qué es bueno?". "Se trata de aportaciones teóricas, pero han abierto campos pioneros en la nueva electrónica, los nuevos materiales e incluso en la computación cuántica", ha explicado.

Tras el anuncio, el presidente del Comité del Nobel de Física, Nils Martensson, dio paso a Duncan M. Haldane, el único de los premiados con el que contactaron en un acto que pudo ser seguido en streaming. "Estoy sorprendido y agradecido", confesó nada más conectar vía telefónica. Explicó las posibles utilidades que podría tener el avance que ha supuesto su trabajo y el de los colegas con los que comparte el galardón y, ante la pregunta de una posible pérdida de interés por la física por parte de los más jóvenes, aseguró que en su caso fueron sus padres quienes le inculcaron y le influenciaron para que se interesase por la ciencia.

El premio está dotado con ocho millones de coronas suecas (unos 830.000 euros/930.000 dólares), de los que Thouless recibirá una mitad y Haldane y Kosterlitz la otra.

El año pasado el Nobel de Física fue a parar al japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur B McDonald por su descubrimiento de las oscilaciones del neutrino, que demostraron que estas partículas subatómicas tienen masa, contrariamente a lo que se pensaba hasta entonces.

El de Física es el segundo Premio Nobel que se entrega este año. El de Medicinafue concedido el lunes al japonés Yoshinori Ohsumi por sus descubrimientos del mecanismo de la autofagia, un proceso fundamental para la degradación y el reciclaje de componentes celulares innecesarios.

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