Física: un Nobel por revelar secretos “exóticos” de la materia

Revelaron “secretos exóticos” del mundo subatómico que sólo se hacen visibles a bajísimas temperaturas y se llevaron el Nobel de Física. Tres científicos británicos que trabajan en los Estados Unidos recibieron ayer la tradicional llamada desde Estocolmo en la que se les anunciaba que se habían convertido en ganadores del galardón por sus trabajos teóricos, que podrían tener impacto en aplicaciones tecnológicas.

David Thouless, de la Universidad de Washington, recibirá la mitad del premio, de 930.000 dólares; Duncan Haldane, de la Universidad de Princeton, y Michael Kosterlitz, de la Universidad Brown, compartirán el resto.

Sus investigaciones son tan complejas y abstractas que hasta los integrantes del jurado reunidos por la Academia Real de Ciencias Sueca se vieron en problemas para explicarlas durante el anuncio.

“«Exótico» no es un término científico preciso –se sinceró uno de los miembros del jurado, Thors Hans Hansson, al intentar explicar las transiciones topológicas de fase de la materia, el tema laureado–. Expresa nuestro asombro frente a algo muy inusual y difícil de entender. No hay que olvidar la dimensión histórica de los descubrimientos: la electricidad era muy «exótica» cuando recién llegó y hoy es natural.”

“Thouless, Kosterlitz y Haldane hicieron varias contribuciones. Este premio es como un Oscar a la trayectoria”, comenta Gustavo Lozano, investigador del Conicet y profesor del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la UBA (FCEN).

Para la física, las “transiciones de fase” son cambios en el estado de la materia, como cuando el agua pasa del hielo, al líquido o al vapor. “Mantiene la misma composición química, pero adopta distinto comportamiento físico; por ejemplo, en las propiedades de conducción eléctrica o magnética”, explica Lozano.

Thouless, Kosterlitz y Haldane utilizaron la topología matemática para entender en profundidad efectos extraños que se presentan en el mundo cuántico y que se manifiestan a bajísimas temperaturas.

“La mayor parte de las veces, los físicos no podemos resolver los problemas exactamente como se nos plantean y tenemos que hacer aproximaciones –explica Eduardo Fradkin, físico argentino pionero en el estudio de estos temas, que emigró a los Estados Unidos en 1976 y hoy es investigador de la Universidad de Illinois–. Kosterlitz, Thouless y Haldane fueron los primeros en aplicar la topología a la física teórica. Algunas de las ecuaciones que plantearon habían sido escritas por otra gente en la década del 60, pero no habían sido correctamente entendidas, porque los físicos no estudiaban topología, creían que era algo que hacían los matemáticos.”

La topología estudia las propiedades de los espacios que son invariantes por deformaciones suaves.

“Describe las propiedades matemáticas de los objetos que no cambian cuando uno los deforma suavemente”, precisa Lozano.

“En este lenguaje, el cambio entre un cuadrado y un círculo es irrelevante, las dos formas tienen las mismas propiedades, pero un círculo y un anillo, en cambio, tienen propiedades completamente distintas, por la aparición de un agujero”, agrega Santiago Grigera, profesor del Departamento de Física de la Universidad Nacional de La Plata, posdoctorado en la Universidad de Birmingham y en la de Cambridge, donde conoció a Haldane.

Se trata de una estrategia muy poderosa, porque se puede tomar un espacio muy complejo y deformarlo a algo más simple conservando algunas propiedades, y así calcular situaciones complejas preservando las propiedades que interesan.

En topología, los materiales se describen como objetos matemáticos con un número de “agujeros”. Hansson lo ilustró echando mano precisamente de una rosquilla y una galleta, y diciendo que, para un topólogo, la única diferencia es que diferían en el número de agujeros. “En el mundo de la topología, que un material pase de conducir normalmente la electricidad a ser superconductor sería equivalente a que una rosquilla se transforme en galleta”, explicó.

Una mirada global

“Cuando uno mira un problema de muchos cuerpos (átomos, moléculas, etcétera) –dice Grigera–, la interacción entre ellos se describe tradicionalmente a partir de pares de partículas. En el caso de los que abordaron Thouless, Kosterlitz y Haldane, también se puede entender el enfoque topológico como la mirada global y no a partir de interacciones de a pares. El trabajo de estos tres físicos explica efectos exóticos de la materia, tales como los que se dan en superconductores, superfluidos y películas delgadas magnéticas.”

Lozano destaca que los galardonados predicen estados y transiciones de fase que antes no se sabía que podían existir en sistemas de dos dimensiones y unidimensionales. Y Grigera, que entender la materia en sus fases “exóticas” no sólo tiene el atractivo del descubrimiento, sino que abre puertas hacia el diseño de nuevas tecnologías, tales como nuevas formas de computación o almacenamiento de información que utilizamos en la vida cotidiana.

Juan Pablo Paz, profesor de la FCEN e investigador del Conicet que trabaja en el desarrollo de la computadora cuántica, subraya que lo que impide concretarla es “la fragilidad de su interacción con el medio ambiente, porque introduce un ruido en distintos lugares del sustrato físico en el que se trabaja. Cada vez que pasa algo, se arruina la computación porque la información se almacena localmente; por ejemplo, usando un átomo. Los sistemas que estudiaron los ganadores del Nobel permiten codificar la información en estados distribuidos no locales, son robustos frente a fallas locales o pequeñas perturbaciones”.

Gonzalo Usaj, que trabaja en el Instituto Balseiro en aisladores topológicos, un área que surgió a partir de los trabajos de Haldane, destaca que los materiales identificados o desarrollados a partir de los trabajos de Thouless, Kosterlitz y Haldane tienen propiedades muy particulares. “Sus hallazgos ya fueron probados”, subraya.

“Ellos iniciaron una tormenta de investigaciones, y a pesar de que las aplicaciones todavía están por llegar, creo que es sólo materia de tiempo que sus trabajos conduzcan a avances tan inimaginables para nosotros ahora, como los lásers y los chips de computadora eran hace cien años”, dijo al New York Times Laura Greene, presidenta de la American Physical Society.

Michael Kosterlitz recibió la noticia en un parque subterráneo de Helsinki. “Es algo extraño recibir la noticia desde aquí”, comentó.

Y Haldane destacó que los grandes descubrimientos no surgen porque alguien se sienta y piensa que quiere inventar algo útil. Ocurren porque alguien descubre algo interesante y resulta ser tremendamente útil. “La sorpresa es que la mecánica cuántica puede ser tanto más rica de lo que soñamos –exclamó–. Es tan extraña.”

“Se anticipaba un Nobel para el área de los efectos topológicos de la materia condensada”, opina el físico argentino Juan Martín Maldacena, que investiga en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, la misma universidad de Haldane, y estudia temas que también tienen que tener en cuenta los “efectos topológicos”.

Grigera, que asistió a una conferencia de Haldane en Cambridge, lo describe como un referente en el campo de la materia condensada y el magnetismo,“un tipo brillante con el cual es muy difícil interactuar. Las charlas son casi impenetrables, es como si hablara consigo mismo”, cuenta.

Maldacena, que tuvo a Haldane de profesor mientras era estudiante, lo confirma: en la clase que tomó con él, al final quedaban sólo dos de los asistentes. “No es muy claro para explicar –cuenta–. Y tiene la oficina más desordenada que vi en mi vida. Tiene papers por todos lados. Es como un mar de papel. Es realmente un estereotipo del genio desordenado.”