«Por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia»

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— The Nobel Prize (@NobelPrize) 4 de octubre de 2016

El Premio Nobel de Física 2016 ha sido concedido, ex aequo, a David J. Thouless, por un lado, y a F. Duncan Haldane M. y J. Michael Kosterlitz, por otra, por revelar los «secretos exóticos de la materia». En el fallo se destaca que el galardón se les concede a estos tres científicos británicos «por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia». Las transiciones de fase suceden cuando la materia cambia de fase, como cuando el hielo se derrite y se convierte en agua o el agua se evapora.

El premio Nobel ha galardonado este año un campo de estudio que trata de comprender el comportamiento de la materia a escalas microscópicas, donde no suelen aplicar las reglas del mundo con el que estamos familiarizados y reinan las normas cuánticas. Según ha explicado la organización del Nobel, en 1972, Kosterlitz y Thouless identificaron un tipo de transición de fase completamente nueva en sistemas bidimensionales en los que los defectos topológicos desempeñan un papel fundamental. Estas teorías ayudan a entender el funcionamiento de algunos tipos de imanes y de fluidos superconductores y superfluidos. Estas teorías también han sido importantes para entender el funcionamiento cuántico de sistemas unidimensionales a temperaturas muy bajas.

Durante mucho tiempo los científicos habían creído que las fluctuaciones térmicas destruían cualquier tipo de orden en el mundo de dos dimensiones, incluso a la temperatura de cero absoluto (-273 grados), por lo que sin fases ordenadas no eran posibles las transiciones entre ellas,
explica la Real Academia de las Ciencias.
Estas teorías ayudan a entender el funcionamiento de algunos tipos de imanes y de fluidos superconductores y superfluidos

La cooperación que Thouless y Kosterlitz iniciaron a principios de la década de 1970 culminó en una comprensión nueva de esas transiciones, considerada uno de los hallazgos más importantes en la teoría de la física de la materia condensada del siglo XX.
Más adelante, en los 80, Thouless desarrolló junto a F. Duncan M. Haldane métodos teóricos para describir fases de la materia que no pueden ser identificadas por su pauta de ruptura de simetría. En este campo, se explicó el comportamiento bidimensional de gases electrónicos empleando conceptos topológicos. Muchos de estos comportamientos de la materia en condiciones extremas, completamente inesperados, han sido confirmados después por experimentos y se espera que puedan tener aplicaciones en ciencia de materiales y en la electrónica del futuro.

El fallo de la Real Academia establece que una mitad de la dotación económica del premio irá para Thouless, mientras que la otra se dividirá a partes iguales entre los otros dos galardonados.

Todos los ganadores del Nobel reciben un diploma, una medalla de oro y un premio económico a compartir, dotado este año con 8 millones de coronas suecas (832.000 euros), en la doble ceremonia que se celebra cada 10 de diciembre en Oslo (para el de la Paz) y en Estocolmo (para
el resto).

Los tres investigadores británicos suceden en el palmarés del galardón al japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur B. McDonald, distinguidos por resolver el enigma de los neutrinos.

La importancia de un Nobel

Según explica el investigador del Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC en Madrid, Ramón Aguado, los hallazgos de los premiados con el Nobel hoy sirvieron para ir más allá de la ciencia de materiales clásica y pusieron las bases de una revolución tecnológica que ya se está produciendo. “Un electrón en un sólido puede ser descrito como una onda cuántica que se mueve a través de la red cristalina del material. Este comportamiento ondulatorio da lugar a regiones energéticamente prohibidas, denominadas gap en inglés, en las que el electrón no se puede propagar. Estas regiones prohibidas determinan si un material es un aislante (gap grande), un semiconductor (gap intermedio), o un metal (sin gap). Esta teoría de los electrones en un sólido, uno de los primeros éxitos de la física cuántica, dio lugar a toda la tecnología de semiconductores de la que disfrutamos hoy en día y que hace posible algo tan sofisticado como un smartphone”, cuenta Aguado.

Entre las aplicaciones más llamativas de los descubrimientos que hoy han merecido el Nobel de Física se encuentra la “computación cuántica topológica”

Las investigaciones de los premiados con el Nobel pusieron las bases de una nueva rama de la física que estudia hoy en día los estados topológicos de la materia. “La topología es la rama de las matemáticas que estudia qué propiedades de los cuerpos geométricos no cambian cuando los deformamos de manera suave. Los representantes del comité del Nobel mostraban esta mañana donuts y pretzels para tratar de explicar por qué un sistema topológico no puede pasar con facilidad a otro distinto. Una esfera de plastilina, por ejemplo, se puede convertir con facilidad en un plato con sólo aplastarla, pero para transformarse en un donut es necesario abrir un agujero, que es un cambio muy drástico en la topología de la esfera. De la misma manera, los premiados observaron que hay ciertos estados cuánticos con propiedades topológicas bien definidas y que no cambian por más que modifiquemos los parámetros físicos que gobiernan este estado. De manera similar al ejemplo de la plastilina, uno no puede cambiar la topología de un estado cuántico a no ser que introduzcamos un cambio drástico, que en el contexto de las funciones de onda equivale a cerrar uno de estos gaps a los que hacíamos referencia antes. Este cierre del gap con cambio en la topología se denomina transición de fase topológica”, añade Aguado.

Este fenómeno, que puede parecer muy esotérico, tiene efectos en el mundo real con potencial para aplicaciones tecnológicas. “En la frontera entre dos materiales con distinta topología, el gap necesariamente tiene que cerrarse, ya que no podemos cruzar la frontera sin que ocurra una transición de fase topológica. Esto hace que los bordes de un material topológico sean necesariamente metálicos y fuertemente protegidos debido a su topología, por lo que pueden conducir la electricidad sin pérdidas. Además, los posibles estados del espín del electrón están ligados a la dirección de propagación (espines opuestos se propagan en direcciones opuestas). Debido a esta propiedad, estos materiales son muy prometedores de cara a sus aplicaciones en electrónica basada en el espín (espintrónica).”, añade el investigador del ICMM. Estas propiedades se estudian en muchos laboratorios del mundo en unos materiales que se conocen como aislantes topológicos.

Entre las aplicaciones más llamativas de los descubrimientos que hoy han merecido el Nobel de Física se encuentra la “computación cuántica topológica”.

Los niveles de precisión y de capacidad de computación que permitirían los bits cuánticos implican también que los sistemas que los albergan requieran también de una precisión mucho mayor que en la electrónica convencional. Si hay fuentes externas que producen un desorden en el sistema cuántico de nuestro ordenador, los qbits que sirven para codificar la información no tendrían la robustez necesaria para funcionar correctamente. Sin embargo, un material con qbits de origen topológico proporcionaría una estabilidad al sistema que haría posible esta tecnología revolucionaria. En la actualidad se trabaja con la variante superconductora de los materiales topológicos, los superconductores topológicos, con estados de borde que tienen propiedades de partícula de Majorana (partícula igual a su propia antipartícula) y que pueden ser usados como qbits topológicos.

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