Premio Nobel de Física 2016

De izquierda a derecha: David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz

Los físicos de origen británico David J. Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz (los dos últimos con ciudadanía estadounidense) han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2016, por "los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia". Según la Academia estos descubrimientos han permitido revelar los "secretos exóticos de la materia". David J. Thouless fue Profesor en la Universidad de Birmingham (Inglaterra) y luego en la Universidad de Washington en Seattle (EE.UU.), mientras que Duncan Haldane es Profesor en la Universidad de Princeton (EE.UU.) y Michael Kosterlitz en la Universidad de Brown (EE.UU.).

Las transiciones de fase se refieren al fenómeno de un cambio brusco en las propiedades de la materia cuando se modifica alguna condición, tal como la temperatura o presión. Por ejemplo el hielo, formado por cristales bien ordenados, se funde al aumentar la temperatura, pasando al estado líquido (agua), que es una fase más desordenada. Y si se sigue aumentando la temperatura, el agua entra en ebullición, pasando de la fase líquida a la fase de vapor (aún más desordenada). Por su parte la topología es la rama de las matemáticas que describe propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas cuando se los estira, retuerce o se los deforma suavemente, pero que cambian en forma escalonada cuando se los divide.

Los físicos galardonadas investigaron el comportamiento de la materia a escala microscópica. A esta escala el comportamiento de la materia se rige por las leyes de la mecánica cuántica, y lo hace de una forma muy lejana a nuestra intuición, que se basa en las experiencias de la vida cotidiana.

Thouless y Kosterlitz iniciaron su colaboración en 1972, y emplearon herramientas matemáticas avanzadas para explicar fenómenos extraños en fases o estados inusuales de la materia, tales como superconductores, superfluidos o películas magnéticas delgadas, estudiando estos fenómenos en la materia plana, es decir en superficies, o en capas extremadamente delgadas de material, que se pueden considerar bidimensionales. A temperaturas muy bajas la materia asume nuevas y extrañas fases, diferentes a la sólida, líquida o gaseosa que conocemos, y la física cuántica, presente en el mundo microscópico, se hace de pronto visible.

Hasta ese momento se pensaba que fenómenos como la superfluidez no podrían aparecer en sistemas bidimensionales, sin embargo Thouless y Kosterlitz estudiaron las transiciones de fase en sistemas bidimensionales y pudieron demostrar que fenómenos como la superconductividad y la superfluidez también ocurrían en el mundo plano. Mostraron que la superconductividad desaparece al aumentar la temperatura del material, y pudieron identificar un tipo de transición de fase completamente nueva en sistemas bidimensionales, en los que los defectos topológicos desempeñan un rol fundamental.

Estas transiciones son muy diferentes de las transiciones de fase normales, como la que ocurre entre el hielo y el agua. Estas son transiciones de fase topológicas debidas a la presencia de pequeños vórtices en el material plano, los que a bajas temperaturas forman pares fuertemente ligados, que a medida que la temperatura aumenta se separan súbitamente uno del otro y dan lugar a la transición de fase (Ver figura).

Este hallazgo denominado transición BKT (donde B corresponde a la inicial de Berenzinskii, un físico teórico ruso ya fallecido, quien llegó a similares resultados) es considerado uno de los más importantes en el área de la física de la materia condensada del siglo XX. Este descubrimiento posibilitó una comprensión profunda de esas transiciones, ayudando a entender el funcionamiento de algunos tipos de imanes y de fluidos superconductores y superfluidos.

Más adelante, en la década de los 80, Thouless y Duncan Haldane presentaron resultados sorprendentes relacionados con la teoría cuántica de la conducción de electricidad en materiales. Thoules mostró que estaba incompleta y que a bajas temperaturas y campos magnéticos intensos, una nueva teoría basada en conceptos topológicos era necesaria. Al mismo tiempo, Haldane llegó a resultados similares estudiando cadenas atómicas magnéticas.

El fenómeno que Thouless describió teóricamente fue el efecto Hall cuántico, que fue descubierto en 1980 por el físico alemán Klaus von Klitzing, quien estudió una fina capa de material conductor entre dos capas semiconductoras, donde los electrones eran enfriados hasta casi el cero absoluto (-273 grados Kelvin) y sometidos a un campo magnético muy intenso. En esas condiciones se observaba que la conductancia eléctrica variaba al aumentar el campo magnético, cambiando en forma escalonada de un valor entero a otro. Klaus von Klitzing recibió el premio Nobel de física en 1985. Sin embargo, este fenómeno no se podía explicar con las herramientas de la física conocidas en ese momento. Thouless fue capaz de explicarlo mediante la topología.

Por su parte Duncan Haldane desarrolló también métodos teóricos para describir fases de la materia, cuando esta se presentaba en forma de hilos, es decir en sistemas unidimensionales. Demostró que las cadenas de átomos magnéticos presentan propiedades muy diferentes, ya sea que contengan un número par o impar de magnetos, dado que las primeras son topológicas y las segundas no lo son, descubriendo así el primer ejemplo de un nuevo tipo de material topológico, que fue comprobado recientemente por un experimento.

Los aislantes topológicos, los superconductores y los metales topológicos están siendo investigados actualmente y se espera que puedan tener numerosas aplicaciones en ciencia de materiales y en la electrónica del futuro.