Nobel de Física 2016, el adios al sistema binario y más.

Los estados de materia son las situaciones físicas que resultan de las interacciones de las partículas y que pueden ser eléctricas o magnéticas, pero también dependen de la topología, de la forma y el espacio en el sistema, y entonces pueden ocurrir diferentes posibilidades, resultado de la interacción.

Una vez que se conoce el ambiente y las condiciones en que la materia existe, entonces es posible estudiar la materia misma, y esto se conoce como topología: un campo de la matemática que describe las propiedades que sólo cambian en forma escalonada.

Los ganadores del premio nobel de física del 2016, David J. Thouless (21-09-1934), Duncan M. Haldane, (14-9-1951) y John M. Kosterlitz (22-6-1943), lo fueron «por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia».t

Ellos se basan en la pregunta teórica sobre lo que sucede en un universo en el que la materia puede asumir estados muy extraños.

Hablando de estados muy extraños, aquí los tres posando tan pronto les informé que serían retratados.

Los galardonados han estudiado las fases de estados inusuales de la materia, como los superconductores, los superfluidos o las capas magnéticas finas.

Los estados más conocidos de la materia son sólido, líquido y gaseoso, pero en condiciones extremas, la materia también puede adoptar otros y desarrollar propiedades inusuales.

En los años setentas Thouless y Kosterlitz demostraron que la “superconductividad” podía ocurrir a bajas temperaturas y así lograron explicar el mecanismo que ocurre cuando esa propiedad desaparece a altas temperaturas.

Ambos se concentraron en el fenómeno dentro de la formas planas de la materia, en superficies o capas que son tan finas que pueden considerarse bidimensionales.

(La “superconductividad” es la capacidad intrínseca que poseen determinados materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.)

Por otro lado, durante los años ochentas del siglo XX Haldane pudo determinar cómo estos conceptos topológicos de cambios escalonados podían usarse para entender las propiedades en las cadenas de pequeños magnetos que se encuentran en algunos materiales.

Este científico estudió materia que forma hilos tan delgados que pueden ser considerados unidimensionales. Lo que empezó como algo teórico actualmente tiene aplicaciones en lo cotidiano, la avanzada tecnología de hoy día, se basa en nuestra habilidad para entender y controlar las propiedades de los materiales involucrados.

Los átomos oscilan en sincronía o forman parejas de vórtices microscópicas. Este tipo de fenómenos, que normalmente se producen a temperaturas muy bajas, pueden generar sorprendentes nuevas cualidades materiales.

A temperaturas bajísimas, algunos metales pierden toda resistencia eléctrica, mientras que los líquidos ultrafríos se deslizan hacia arriba ante la fuerza de gravedad de las paredes del recipiente que los contiene.

Esos raros comportamientos a escala microscópica vienen dictados por las leyes de la física cuántica, la topología se puede llegar a utilizar como una herramienta matemática especial para efectuar las investigaciones correspondientes.

Esta disciplina describe estructuras cuya característica básica se mantiene a pesar de las deformaciones.

El descubrimiento de fases topológicas tiene una gran importancia, pues muestra una hermosa interacción de la física y la matemática.

Quizá en el futuro habrá computadoras cuánticas que utilicen efectos topológicos: “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 sucesos han sido investigados desde hace cuatro décadas por Haldane, quien 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.

No, no es el gato de Schrödinger (famoso ejemplo para exponer una de las interpretaciones más contraintuitivas de la Mecánica Cuántica), es Bagheera nuestro gato.

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

En términos prácticos, 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, sería la detección de variaciones muy pequeñas del campo magnético, para la búsqueda de yacimientos.

Dos estados extremos de la materia son: Plasma y Condesado Cuántico.

Plasma: un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético.

Condensado cuántico: sucede que los átomos están en un mismo espacio pero con una característica distintiva: todos actúan como uno solo.