La visibilidad de los fen¨®menos cu¨¢nticos

Este a?o, el Nobel de F¨ªsica premia a Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y Anthony Leggett por "sus contribuciones pioneras a las teor¨ªas de los superconductores y de los superfluidos". En la informaci¨®n dada por la Fundaci¨®n Nobel, se ligan los dos supersistemas en una caracter¨ªstica com¨²n: en ambos se hacen visible a escala macrosc¨®pica fen¨®menos puramente cu¨¢nticos.

La f¨ªsica cu¨¢ntica compendia el comportamiento del mundo a escala at¨®mica mediante ecuaciones que emergen de unas leyes f¨ªsicas, distintas de las que parecen gobernar nuestro mundo macrosc¨®pico. El viaje reduccionista que ha seguido la humanidad en su an¨¢lisis de la naturaleza desde la Grecia cl¨¢sica, se ha visto culminado en el siglo XX con ecuaciones que describen el comportamiento de los ingredientes m¨¢s elementales de la materia. Aunque incompletas todav¨ªa, muchos ven en ellas lo que podr¨ªa denominarse La Teor¨ªa de Todo. Y si por Todo entendemos nuestro mundo inmediato, puede considerarse que la teor¨ªa se resume en un par de ecuaciones.

Al mundo cu¨¢ntico a nuestro alcance le gusta el fr¨ªo para mostrar sus encantos

Nos podemos preguntar: ?es posible explicar lo que ocurre en nuestro mundo macrosc¨®pico con estas ecuaciones? Sabemos con certeza que si manejamos muy pocas part¨ªculas, menos de 10 por dar una cifra, las ecuaciones se pueden resolver exactamente utilizando ordenadores potentes, pero cuando sobrepasamos este modesto n¨²mero hay que recurrir a aproximaciones y simplificaciones dr¨¢sticas para obtener un resultado ¨²til. Y si pensamos que en un simple granito de arena hay muchos millones de billones de ¨¢tomos, la respuesta a la pregunta es clara.

Hay, sin embargo, una corriente de pensamiento entre los cient¨ªficos, que se resume en la expresi¨®n M¨¢s, es diferente. Esto es, la naturaleza se rige tambi¨¦n, y se manifiesta a escala macrosc¨®pica, por principios organizativos, en los que el cient¨ªfico se puede basar para predecir fen¨®menos muy sutiles del funcionamiento del mundo.

La b¨²squeda por los f¨ªsicos de esos principios organizativos, la sagacidad para descubrir su funcionamiento en fen¨®menos tan aparentemente alejados como los que se produjeron en el Big Bang y los que se pueden inducir en un frasco de helio 3 l¨ªquido, ha brindado momentos apasionantes a la ciencia del siglo XX. Este a?o el Nobel de F¨ªsica se ha otorgado a tres cient¨ªficos que han contribuido a entender mediante esta aproximaci¨®n a la naturaleza los fen¨®menos cu¨¢nticos macrosc¨®picos de la superconductividad y la superfluidez del helio 3. (El helio 3 se obtiene como subproducto en algunos reactores nucleares y el elemento natural, el helio 4, abunda en los yacimientos de gas natural)

Vitali Ginzburg naci¨® en Rusia en 1916 , cinco a?os despu¨¦s de que Heike Kamerlingh Onnes descubriese la superconductividad en el mercurio en su laboratorio de Leiden (Holanda). Onnes consigui¨® licuar el helio 4 en 1908, abriendo as¨ª a la experimentaci¨®n el campo de las bajas temperaturas. Cuando Ginzburg comienza su carrera cient¨ªfica, tras graduarse en 1939, hac¨ªa seis a?os que Meissner hab¨ªa descubierto la propiedad m¨¢s singular del estado superconductor: la expulsi¨®n del interior de un material, al entrar en dicho estado, de campos magn¨¦ticos externos. En 1938, Kapitsa, en la URSS, y, Allen y Misener en Canad¨¢, descubrieron simult¨¢neamente la p¨¦rdida de la viscosidad del helio 4 l¨ªquido y lo denominaron superfluido.

En la escuela sovi¨¦tica destacaba, en aquellos tiempos dif¨ªciles, la prestigiosa figura de Lev D. Landau, que fue encarcelado por el r¨¦gimen de Stalin y pas¨® un a?o en prisi¨®n hasta que Kapitsa, que ten¨ªa notable influencia sobre el dictador, consigui¨® su libertad. Seg¨²n cuenta Ginzburg, Kapitsa deseaba contar con la ayuda de Landau para hacer la teor¨ªa de la superfluidez.

Ginzburg conoc¨ªa de primera mano la f¨ªsica que Landau hab¨ªa desarrollado. Tambi¨¦n conoc¨ªa bien el fen¨®meno de la superconductividad. Con ese bagaje se puso a construir una teor¨ªa de la transici¨®n de fase superconductora, que hoy denominamos teor¨ªa de Ginzburg-Landau (TGL), que proporciona dos ecuaciones que han servido, y siguen sirviendo, para interpretar muchos resultados y hacer importantes predicciones.

Una de las predicciones m¨¢s notables, fue la realizada por el f¨ªsico te¨®rico Alexei Abrikosov, nacido en la URSS en 1928. Volviendo atr¨¢s en el tiempo, cuando Kammerling Onnes descubri¨® que se pod¨ªa tener resistencia cero, investig¨® todos los metales que ten¨ªa a su alcance, entre ellos el plomo, que, seg¨²n observ¨®, perd¨ªa la resistencia a 7,2 grados Kelvin. So?¨® entonces en fabricar bobinas, para producir altos campos magn¨¦ticos, con hilos de plomo. Pronto comprob¨®, desolado, que sus bobinas dejaban de superconducir para valores muy exiguos del campo magn¨¦tico. El campo que ellas creaban destru¨ªa pronto la superconductividad. Abrikosov abri¨® el camino para hacer realidad el sue?o de Onnes. Conoc¨ªa experimentos en los que la TGL fallaba, y decidi¨® estudiar en detalle lo que resultaba de la teor¨ªa en unos l¨ªmites no estudiados previamente. Lleg¨® a la conclusi¨®n de que, en ese caso, cuando se aumentaba el campo magn¨¦tico, el superconductor, en vez de dejarse inundar de golpe por el campo, perdiendo la superconductividad, se dejaba atravesar por filamentos de campo, distribuidos geom¨¦tricamente, manteniendo superconductor el volumen no perforado. Todos los filamentos son iguales y cuando el campo aumenta, lo que crece es su n¨²mero, hasta que para campos magn¨¦ticos, normalmente muy elevados, la densidad de estos filamentos, denominados v¨®rtices, es tan grande que la superconductividad no tiene lugar donde sobrevivir.

Hoy sabemos que muchas aleaciones y compuestos e incluso dos elementos, niobio y vanadio, presentan la superconductividad predicha por Abrikosov. Algunos de ellos han mostrado caracter¨ªsticas excepcionales para fabricar bobinas superconductoras.

Al mundo cu¨¢ntico a nuestro alcance le gusta el fr¨ªo para mostrar sus encantos. El helio 4 y el helio 3 se hacen l¨ªquidos cerca del cero absoluto, y no pasan a s¨®lido al bajar la temperatura a no ser que se aumente la presi¨®n a m¨¢s de 20 atm¨®sferas.

En el estado l¨ªquido, los ¨¢tomos, que son id¨¦nticos, no se encuentran localizados en posiciones fijas, lo cual hace que el comportamiento colectivo, siguiendo principios cu¨¢nticos fundamentales, dependa dr¨¢sticamente de una propiedad sutil del ¨¢tomo individual, su esp¨ªn. ?ste es un atributo puramente cu¨¢ntico y, para lo que nos interesa baste decir que cuando vale cero o un n¨²mero entero, el comportamiento colectivo es muy diferente de cuando es semientero. En el helio 4 vale cero y en el helio 3, 1/2 , por lo que ambos se comportan de forma muy diferente.

En la teor¨ªa microsc¨®pica de la superconductividad los electrones, cuyo esp¨ªn es 1/2, encuentran la manera de formar parejas con esp¨ªn cero. Algunos f¨ªsicos propusieron mecanismos que apareaban, con esp¨ªn entero, los ¨¢tomos de helio 3. Estas propuestas dejaron de ser un ejercicio acad¨¦mico cuando en 1972, Osheroff , Richardson y Lee descubrieron que a tres mil¨¦simas de grado por encima del cero absoluto, el helio 3 l¨ªquido se hac¨ªa superfluido, presentando al bajar m¨¢s la temperatura una rica secuencia de transiciones de fase singulares que lo han hecho la joya de la f¨ªsica de la materia condensada. Anthony Leggett contribuy¨® de forma decisiva a nuestra comprensi¨®n actual de ¨¦ste sistema. Ello lo consigui¨® combinando de forma muy inteligente las teor¨ªas de Landau de los l¨ªquidos de esp¨ªn semientero, la teor¨ªa microsc¨®pica de la superconductividad y la teor¨ªa de la resonancia magn¨¦tica nuclear.

Digamos para concluir que de acuerdo con la teor¨ªa de Landau de las transiciones de fase, en el helio 3 se van rompiendo simetr¨ªas al pasar cada transici¨®n, siendo la que surge a m¨¢s baja temperatura la menos sim¨¦trica. Esta riqueza de roturas de simetr¨ªa encuentra analog¨ªas, por responder a ecuaciones similares, en algunos modelos cosmol¨®gicos. Como las mismas ecuaciones tienen las mismas soluciones, algunos cient¨ªficos han denominado cosmolog¨ªa en un frasco experimentos recientes en el helio 3 superfluido.

La moraleja del trabajo de los f¨ªsicos laureados es que fen¨®menos muy complejos, y pienso en campos como la biolog¨ªa, deben esconder principios organizativos que hay que desvelar para, partiendo de ellos, elaborar teor¨ªas que incrementen nuestra capacidad de predecir nuevos fen¨®menos y desarrollar aplicaciones de inter¨¦s para la humanidad.

Sebasti¨¢n Vieira es catedr¨¢tico de F¨ªsica de la Materia Condensada. Universidad Aut¨®noma de Madrid.