Premio Nobel de Física, topología y panecillos

Por Ka Eme

La Real Academia de Ciencias de Suecia otorgó el Premio Nobel de Física 2016 a tres británicos por los descubrimientos teóricos de las transiciones en fases y las fases topológicas de la materia. Las investigaciones son tan complejas y abstractas que uno de los integrantes del jurado, Thors Hans Hansson, tuvo que recurrir a un pan, una rosca y un pretzel para explicar el logro.

David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz revelaron “secretos exóticos” del mundo subatómico que sólo se hacen visibles a bajísimas temperaturas y, de este modo, han abierto la puerta a importantes aplicaciones tecnológicas en campos como la electrónica.

Si bien, la mayor parte de los trabajos de los tres galardonados se desarrollaron entre los años 70 y 80, no habían sido llevados a la práctica hasta hoy en día. Su labor podría posibilitar la creación de materiales innovadores que “exploran nuevos horizontes hacia un mundo hasta ahora desconocido”, según el comité Nobel.

Para comenzar a entender sus logros es importante tener en cuenta que 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 molecular; por ejemplo, en las propiedades de conducción eléctrica o magnética.

Los premiados, por un lado, demostraron que la superconductividad puede ocurrir a bajas temperaturas; y por el otro, explicaron el mecanismo, la transición de fase, que hace que esta  desaparezca con el calor extremo.

nobel“Las fases más comunes de la materia son de gas, líquido y sólido. En temperaturas extremadamente altas o bajas la materia asume estados más “exóticos”, explicó el comité que otorgó el premio Nobel.

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 topología estudia las características de los espacios que son invariantes por deformaciones suaves. En este lenguaje, el cambio entre un cuadrado y un círculo es irrelevante, las dos formas tienen las mismas propiedades (por ejemplo, cero agujeros), pero un círculo y un anillo, en cambio, tienen cualidades completamente distintas, por la aparición de un agujero.

Se trata de una idea muy poderosa, porque se puede tomar un espacio muy complejo y deformarlo a algo más simple conservando algunas características, y así calcular situaciones diversas preservando las propiedades que interesan (como la cantidad de agujeros).

En topología, los materiales se describen como objetos matemáticos con un número de agujeros. Por eso, Thors Hans Hansson explicó: “Son distintos, salados, con formas diferentes… Pero para un topólogo son lo mismo. El topólogo se fijará en que el pan no tiene agujeros, la rosca tiene un agujero y el pretzel, dos… Es lo que conocemos como invariante topológicas”.

nobel-2Esto es importante de entender porque en el mundo de la topología, que un material pase de conducir normalmente la electricidad a ser superconductor sería equivalente a que la rosca se transforme en un pretzel (que aumente el número de agujeros). Y en esta idea radica su posible aplicación al campo tecnológico.

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