Premio Nobel de F¨ªsica 2016 para estudios sobre la materia en el mundo cu¨¢ntico

El Premio Nobel de F¨ªsica 2016 ha sido concedido, ex aequo, a David J. Thouless, por un lado, y a F. Duncan Haldane M. y J. Michael Kosterlitz, por otra, por revelar los "secretos ex¨®ticos de la materia". En el fallo se destaca que el galard¨®n se les concede a estos tres cient¨ªficos brit¨¢nicos "por los descubrimientos te¨®ricos de las transiciones de fase topol¨®gica y fases topol¨®gicas de la materia". Las transiciones de fase suceden cuando la materia cambia de fase, como cuando el hielo se derrite y se convierte en agua o el agua se evapora.

El premio Nobel ha galardonado este a?o un campo de estudio que trata de comprender el comportamiento de la materia a escalas microsc¨®picas, donde no suelen aplicar las reglas del mundo con el que estamos familiarizados y reinan las normas cu¨¢nticas. Seg¨²n ha explicado la organizaci¨®n del Nobel, en 1972, Kosterlitz y Thouless identificaron un tipo de transici¨®n de fase completamente nueva en sistemas bidimensionales en los que los defectos topol¨®gicos desempe?an un papel fundamental. Estas teor¨ªas ayudan a entender el funcionamiento de algunos tipos de imanes y de fluidos superconductores y superfluidos. Estas teor¨ªas tambi¨¦n han sido importantes para entender el funcionamiento cu¨¢ntico de sistemas unidimensionales a temperaturas muy bajas.

Durante mucho tiempo los cient¨ªficos hab¨ªan cre¨ªdo que las fluctuaciones t¨¦rmicas destru¨ªan cualquier tipo de orden en el mundo de dos dimensiones, incluso a la temperatura de cero absoluto (-273 grados), por lo que sin fases ordenadas no eran posibles las transiciones entre ellas,

explica la Real Academia de las Ciencias.

Estas teor¨ªas ayudan a entender el funcionamiento de algunos tipos de imanes y de fluidos superconductores y superfluidos

La cooperaci¨®n que Thouless y Kosterlitz iniciaron a principios de la d¨¦cada de 1970 culmin¨® en una comprensi¨®n nueva de esas transiciones, considerada uno de los hallazgos m¨¢s importantes en la teor¨ªa de la f¨ªsica de la materia condensada del siglo XX.

M¨¢s adelante, en los 80, Thouless desarroll¨® junto a F. Duncan M. Haldane m¨¦todos te¨®ricos para describir fases de la materia que no pueden ser identificadas por su pauta de ruptura de simetr¨ªa. En este campo, se explic¨® el comportamiento bidimensional de gases electr¨®nicos empleando conceptos topol¨®gicos. Muchos de estos comportamientos de la materia en condiciones extremas, completamente inesperados, han sido confirmados despu¨¦s por experimentos y se espera que puedan tener aplicaciones en ciencia de materiales y en la electr¨®nica del futuro.

El fallo de la Real Academia establece que una mitad de la dotaci¨®n econ¨®mica del premio ir¨¢ para Thouless, mientras que la otra se dividir¨¢ a partes iguales entre los otros dos galardonados.

Todos los ganadores del Nobel reciben un diploma, una medalla de oro y un premio econ¨®mico a compartir, dotado este a?o con 8 millones de coronas suecas (832.000 euros), en la doble ceremonia que se celebra cada 10 de diciembre en Oslo (para el de la Paz) y en Estocolmo (para

el resto).

Los tres investigadores brit¨¢nicos suceden en el palmar¨¦s del galard¨®n al japon¨¦s Takaaki Kajita y el canadiense Arthur B. McDonald, distinguidos por resolver el enigma de los neutrinos.

La importancia de un Nobel

Seg¨²n explica el investigador del Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC en Madrid, Ram¨®n Aguado, los hallazgos de los premiados con el Nobel hoy sirvieron para ir m¨¢s all¨¢ de la ciencia de materiales cl¨¢sica y pusieron las bases de una revoluci¨®n tecnol¨®gica que ya se est¨¢ produciendo. ¡°Un electr¨®n en un s¨®lido puede ser descrito como una onda cu¨¢ntica que se mueve a trav¨¦s de la red cristalina del material. Este comportamiento ondulatorio da lugar a regiones energ¨¦ticamente prohibidas, denominadas gap en ingl¨¦s, en las que el electr¨®n no se puede propagar. Estas regiones prohibidas determinan si un material es un aislante (gap grande), un semiconductor (gap intermedio), o un metal (sin gap). Esta teor¨ªa de los electrones en un s¨®lido, uno de los primeros ¨¦xitos de la f¨ªsica cu¨¢ntica, dio lugar a toda la tecnolog¨ªa de semiconductores de la que disfrutamos hoy en d¨ªa y que hace posible algo tan sofisticado como un smartphone¡±, cuenta Aguado.

Entre las aplicaciones m¨¢s llamativas de los descubrimientos que hoy han merecido el Nobel de F¨ªsica se encuentra la ¡°computaci¨®n cu¨¢ntica topol¨®gica¡±

Las investigaciones de los premiados con el Nobel pusieron las bases de una nueva rama de la f¨ªsica que estudia hoy en d¨ªa los estados topol¨®gicos de la materia. ¡°La topolog¨ªa es la rama de las matem¨¢ticas que estudia qu¨¦ propiedades de los cuerpos geom¨¦tricos no cambian cuando los deformamos de manera suave. Los representantes del comit¨¦ del Nobel mostraban esta ma?ana donuts y pretzels para tratar de explicar por qu¨¦ un sistema topol¨®gico no puede pasar con facilidad a otro distinto. Una esfera de plastilina, por ejemplo, se puede convertir con facilidad en un plato con s¨®lo aplastarla, pero para transformarse en un donut es necesario abrir un agujero, que es un cambio muy dr¨¢stico en la topolog¨ªa de la esfera. De la misma manera, los premiados observaron que hay ciertos estados cu¨¢nticos con propiedades topol¨®gicas bien definidas y que no cambian por m¨¢s que modifiquemos los par¨¢metros f¨ªsicos que gobiernan este estado. De manera similar al ejemplo de la plastilina, uno no puede cambiar la topolog¨ªa de un estado cu¨¢ntico a no ser que introduzcamos un cambio dr¨¢stico, que en el contexto de las funciones de onda equivale a cerrar uno de estos gaps a los que hac¨ªamos referencia antes. Este cierre del gap con cambio en la topolog¨ªa se denomina transici¨®n de fase topol¨®gica¡±, a?ade Aguado. Este fen¨®meno, que puede parecer muy esot¨¦rico, tiene efectos en el mundo real con potencial para aplicaciones tecnol¨®gicas. ¡°En la frontera entre dos materiales con distinta topolog¨ªa, el gap necesariamente tiene que cerrarse, ya que no podemos cruzar la frontera sin que ocurra una transici¨®n de fase topol¨®gica. Esto hace que los bordes de un material topol¨®gico sean necesariamente met¨¢licos y fuertemente protegidos debido a su topolog¨ªa, por lo que pueden conducir la electricidad sin p¨¦rdidas. Adem¨¢s, los posibles estados del esp¨ªn del electr¨®n est¨¢n ligados a la direcci¨®n de propagaci¨®n (espines opuestos se propagan en direcciones opuestas). Debido a esta propiedad, estos materiales son muy prometedores de cara a sus aplicaciones en electr¨®nica basada en el esp¨ªn (espintr¨®nica).¡±, a?ade el investigador del ICMM. Estas propiedades se estudian en muchos laboratorios del mundo en unos materiales que se conocen como aislantes topol¨®gicos.Entre las aplicaciones m¨¢s llamativas de los descubrimientos que hoy han merecido el Nobel de F¨ªsica se encuentra la ¡°computaci¨®n cu¨¢ntica topol¨®gica¡±. Los niveles de precisi¨®n y de capacidad de computaci¨®n que permitir¨ªan los bits cu¨¢nticos implican tambi¨¦n que los sistemas que los albergan requieran tambi¨¦n de una precisi¨®n mucho mayor que en la electr¨®nica convencional. Si hay fuentes externas que producen un desorden en el sistema cu¨¢ntico de nuestro ordenador, los qbits que sirven para codificar la informaci¨®n no tendr¨ªan la robustez necesaria para funcionar correctamente. Sin embargo, un material con qbits de origen topol¨®gico proporcionar¨ªa una estabilidad al sistema que har¨ªa posible esta tecnolog¨ªa revolucionaria. En la actualidad se trabaja con la variante superconductora de los materiales topol¨®gicos, los superconductores topol¨®gicos, con estados de borde que tienen propiedades de part¨ªcula de Majorana (part¨ªcula igual a su propia antipart¨ªcula) y que pueden ser usados como qbits topol¨®gicos.