Pocos exploradores han profundizado en mundos más extraños que los tres nuevos premios Nobel, que acaban de ganar el Premio Nobel de Física de este año. Estos eminentes físicos han sido honrados por su trabajo en algunos de los estados más exóticos de la materia, dando sentido a sus misterios fundamentales y abriendo puertas para la era actual de exploración y desarrollo de nuevos materiales como metales topológicos, aislantes y superconductores.
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La Real Academia de Ciencias de Suecia otorgó conjuntamente el premio con una mitad dirigida a David J. Thouless, de la Universidad de Washington, y la otra mitad a F. Duncan M. Haldane, de la Universidad de Princeton y J. Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown " para descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia ”. Si eso le suena abstracto, no está solo: los logros de los ganadores fueron tan esotéricos que un miembro del comité intentó demostrarlos usando una gran cantidad de panes para el desayuno.
Thouless, Haldane y Kosterlitz trabajan en una parte surrealista del mundo físico que podría describirse como "las tierras planas". Este mundo se encuentra en las superficies de la materia, o dentro de capas tan delgadas que son esencialmente bidimensionales; de hecho, parte del trabajo de Haldane se centra en hilos tan delgados que son básicamente unidimensionales. Aquí, la materia toma algunas de sus formas más extrañas.
Durante las décadas de 1970 y 1980, los científicos revelaron secretos de las formas extrañas que se encuentran en este reino, incluidos superconductores, superfluidos y película magnética delgada. Esta mañana, el físico de la Universidad de Estocolmo Thors Hans Hansson, miembro del Comité Nobel de Física, explicó el elegante concepto matemático que utilizaron para los descubrimientos ganadores de premios usando un bollo de canela, un bagel y un pretzel.
La topología es un sistema matemático que se centra en propiedades que cambian solo por incrementos bien definidos. En el ejemplo de la comida para el desayuno de Hansson, lo importante es que el pan no tiene agujero, el panecillo tiene un agujero y el pretzel tiene dos agujeros. "El número de agujeros es lo que el topólogo llamaría una invariante topológica", explicó Hansson en la conferencia de prensa. “No puedes tener medio hoyo, o dos y dos tercios de un hoyo. Un invariante topológico solo puede tener números enteros.
Resulta que muchos aspectos de la materia exótica también se adhieren a este concepto de uno y dos agujeros.
En 1982, Thouless utilizó esta idea para explicar el misterioso efecto Hall cuántico de la conductancia eléctrica. Dentro de una capa delgada a temperaturas muy bajas y un campo magnético alto, se descubrió que la conductancia eléctrica se construía en unidades que podían medirse con extrema precisión: primero nada, luego una unidad, luego dos unidades. Thouless demostró que los pasos de este efecto pueden explicarse por un invariante topológico. Funcionó por múltiplos de un número entero, al igual que el número inmutable de agujeros en el ejemplo de la comida del desayuno.
En 1988, Duncan Haldane llevó esta línea de investigación a una nueva frontera, descubriendo que las capas delgadas de semiconductores pueden albergar el efecto cuántico Hall incluso sin un campo magnético.
La investigación de los galardonados también reveló nuevas fases de materia que se pueden ver a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 ° C). En 1983, Haldane descubrió un conjunto de átomos magnéticos en una cadena, el primer tipo de nueva materia topológica descubierta. Esa hazaña lanzó una carrera en curso para descubrir nuevas fases topológicas de materia oculta dentro de capas, cadenas y materiales tridimensionales ordinarios.
Estos descubrimientos podrían considerarse hoy abstractos o exóticos, pero algún día podrían allanar el camino para el descubrimiento de materiales indispensables y comunes, dice Hansson. "Lo que es exótico para nosotros ahora podría no serlo en 20 o 30 años", dijo a la periodista Joanna Rose momentos después del anuncio. "La electricidad era muy exótica cuando apareció por primera vez y ya no es tan exótica".
La topología ha renovado nuestra comprensión tradicional de cómo la materia cambia de estado. Generalmente, un cambio de fase ocurre cuando la temperatura cambia, es decir, cuando el agua se congela. Pero a temperaturas extremadamente frías, los estados familiares de la materia (gases, líquidos y sólidos) dan paso a extrañas nuevas fases y comportamientos. Las corrientes eléctricas pueden fluir sin resistencia, haciendo posible el superconductor. Las nuevas fases materiales como los superfluidos (por los cuales el ruso Pyotr Kapitsa ganó el Premio Nobel de Física de 1978) pueden girar en vórtices que nunca se ralentizan.
Durante la década de 1970, Thouless y Kosterlitz descubrieron una forma completamente nueva en la que la materia puede moverse de un estado a otro en esta extraña área: una transición topológica impulsada por pequeños vórtices, como pequeños tornados dentro del material plano. A bajas temperaturas, los vórtices forman pares, que luego se separan repentinamente unos de otros para girar por sí mismos cuando la temperatura sube a un punto de transición.
Esta transición, denominada "transición KT", se convirtió en una herramienta revolucionaria que permitió a los científicos estudiar materia condensada, física atómica y mecánica estadística.
Cuando la Academia lo llamó por teléfono, Haldane se declaró sorprendido y satisfecho por el honor. "Este trabajo fue hace mucho tiempo, pero solo ahora están ocurriendo muchos descubrimientos nuevos y tremendos basados en este trabajo original ...", dijo. Hansson se hizo eco de esos pensamientos y señaló que los científicos de todo el mundo ahora usan estas herramientas para trabajar en aplicaciones prácticas en electrónica, nuevos materiales e incluso componentes en una nueva computadora cuántica.
Pero, sobre todo, enfatizó Hansson, el premio estaba destinado a honrar a la ciencia excepcional. “Combinaron hermosas matemáticas y profundos conocimientos de física, logrando resultados inesperados. Para eso es el premio ”, agregó. "Es realmente hermoso y profundo".
