¿Qué son los estados inusuales de la Materia reconocidos con el Nobel?

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS 

Boletín de Prensa 064

4 de octubre de 2016

• De acuerdo con experto del Cinvestav podrían ayudar al desarrollo de dispositivos sumamente sensibles para medir variaciones de campos magnéticos, con aplicaciones en geología y medicina

Para los habitantes de una hipotética región completamente plana, donde no existe el concepto de espesor, es difícil imaginar el mundo tridimensional en el que nos movemos, como lo planteó el escritor británico Edwin Abbot en su novela sarcástica Planilandia, un romance en múltiples dimensiones.

En el mundo real de la física también existen estados muy extraños de la materia que ocurren a temperaturas extremadamente bajas, como la superconductividad y la superfluidez, que sólo pueden ser descritos con el apoyo de herramientas matemáticas como la topología, que estudia las propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas ante transformaciones continuas.

El empleo de esta herramienta matemática, conocida popularmente como “geometría del hule” para interpretar esos misteriosos estados de la materia les valió a tres investigadores británicos el Premio Nobel de Física 2016.

La Real Academia de Ciencias de Suecia decidió entregar una mitad del galardón a David J. Thouless y Duncan M. Haldane, de las universidades de Washington en Seattle y Princeton, respectivamente, y la otra mitad a Michael Kosterlitz, de la Universidad Brown, en Providence, Rhode Island.

Este trabajo, señala la Academia, “abrió la puerta a un mundo desconocido”, pues ellos utilizaron métodos matemáticos avanzados para estudiar fases o estados inusuales de la materia, como los que presentan los superconductores, los superfluidos y las películas magnéticas ultrafinas.

Gracias a esta labor pionera, se abrió la búsqueda de nuevos y exóticos estados de la materia, que en el futuro podrían derivar en aplicaciones tanto en la electrónica como en la ciencia de materiales.

“Usualmente estamos acostumbrados a describir cosas en tres dimensiones, como los cristales, pero los fenómenos que se dan en dos dimensiones tienen ciertas características diferentes. Este tipo de fenómenos han sido abordados desde los años 60 y 70 por expertos como Duncan Haldane”, comentó al respecto el investigador Ciro Falcony Guajardo.

El investigador del Departamento de Física del Cinvestav explicó que Haldane enfocó su labor en este campo al estudio del comportamiento de los electrones, que tiene que ver con un fenómeno llamado cuantización del efecto Hall en dos dimensiones.

Por su parte, los otros dos físicos premiados abordaron el estudio del fenómeno de la superconductividad, que se refiere a la capacidad que presentan algunos materiales bajo ciertas condiciones para conducir una corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía.

“La superconductividad ha sido difícil de describir en estos nuevos materiales, sobre todo porque en ellos la temperatura a la cual se da el fenómeno es más alta. Los científicos galardonados aplicaron métodos de la topología matemática para explicar por qué esto podría ocurrir”, precisó Falcony Guajardo.

“Ellos manejaron cuestiones matemáticas para describir las transiciones que ocurren a bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto (-273 grados C), como la supercoductividad, la superfluidez, los efectos cuánticos debidos a las reducciones de dimensiones y también a la  reducción de temperatura”.

El experto en materia condensada y películas delgadas semiconductoras y dieléctricas. Agregó que entender estos fenómenos tiene enorme relevancia también en términos prácticos, porque permitirá el desarrollo de nuevos dispositivos y aplicaciones electrónicas.

Por ejemplo, en el caso de la superconductividad se habla del desarrollo de dispositivos sumamente sensibles para detectar campos magnéticos muy pequeños que podrían usarse para el mapeo de tejidos suaves en el cuerpo humano para fines médicos.

También podrían desarrollarse a partir de este conocimiento dispositivos que usen una lógica distinta a la que hoy emplean las computadoras, basada en el sistema binario de unos y ceros. “Los efectos cuánticos fraccionados y el efecto

Hall cuántico permitirían hacer dispositivos con varios niveles asociados con bases numéricas diferentes, por ejemplo, decimal u octaedral. El manejo de datos pasaría a un nivel mayor de sofisticación, lo que conllevaría un desarrollo más eficiente de los métodos computacionales que ahora se manejan”. 

Otra aplicación en el campo de la geología, dice el académico del Cinvestav, sería la detección de variaciones muy pequeñas del campo magnético para la búsqueda de yacimientos. 

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