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DE LAS TRANSICIONES DE FASE TOPOLÓGICA y de las Ondas Gravitacionales, parte I (*)

 

Gastón Mejía Brown (**)


EDICIÓN-54 | OCTUBRE 2017

 

El autor destaca que estamos a las puertas de un desarrollo de alto valor científico y técnico por la importancia que conllevan las fases topológicas y su alto potencial tecnológico. Remarca la importancia de los premios Nobel de Física 2016 y 2017.

 

En los años 2016 y 2017, el Pre mio Nobel de Física fue conce dido, en el primer caso, a tres distinguidos físicos británicos David J. Thouless, F. Duncan Haldane M. y J. Michael Kosterlitz por “Descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia”, y en el segundo caso, lo fue al Físico Alemán Rainier Weiss, y a los físicos estadounidenses Barry C. Barish y Kip D. Thorne por “La detección de la emisión de ondas gravitacionales generadas en los últimos instantes de la fusión de dos agujeros negros de unas 30 masas solares cada uno”, utilizando dos Interferómetros instalados en los Estados de Washington y Luisiana, EEUU, proyecto conocido bajo las siglas LIGO.

 

Veamos los conceptos fundamentales de la física de la materia, motivo para la otorgación del Premio Nobel de Física 2016, que constituyen la esencia de la clasificación de la transformación por fases de la materia, tema del premio, determinada por el principio de rotura espontánea de simetría que se produce en la caída de la temperatura que rompe el movimiento traslacional en sólidos cristalinos, que afecta el movimiento rotacional del Spin a nivel de átomo y que modifica la simetría gauge en superconductores, cuyo mecanismo de producción aún no es conocido perfectamente.

 

 

…las llamadas transiciones de fase cuánticas que ocurren en función no del parámetro de temperatura sino de otros…”

 

Las fases con rotura de simetría en superconductores (parámetros críticos son la temperatura, la corriente eléctrica y el campo magnéticos) son determinadas por los llamados parámetros de orden que en sólidos son descritos con la teoría de GinzburgLandau, en el material magnético con la magnetización y en el caso del material superconductor con el condensado de pares de Cooper (teoría BSC) que muestra que la cuántica no se restringe a describir el mundo a escala atómica pero que no explica ciertos tipos de superconductores llamados no convencionales (sus electrones se comportan como momentos magnéticos) que operan a temperaturas altas (-135 oK) en los que tienen lugar las llamadas transiciones de fase cuánticas que ocurren en función no del parámetro de temperatura sino de otros como presión, densidad y dopaje.

 

Cerrando la figura, en los años 70 del siglo XX, se identificó un tipo de transición de fase completamente nuevo en sistemas bidimensionales en los que los defectos topológicos desempeñan un papel fundamental, es decir, se utilizaron métodos matemáticos de frontera para estudiar fases o estados de la materia, proceso denominado transiciones de fase topológica en el que la topología describe lo robustas que son las formas y deja de lado detalles geométricos de un objeto concentrándose sólo en propiedades globales, es decir, estudia las propiedades de objetos invariantes bajo deformaciones suaves (sin romper ni pegar), fases topológicas que comprenden, en principio, los aislantes y los superconductores topológicos.

 

El efecto Hall cuántico de von Klitzing (1980) es el primer ejemplo de una fase topológica, el que posteriormente, en conjunto con Thouless (uno de los galardonados con el premio Nobel 2016) y otros investigadores, definió un nuevo tipo de estados, las fases topológicas, extremadamente robustas y estables a impurezas, aislantes en su interior y conductores en su superficie.

 

Poco después, se descubría el efecto Hall cuántico fraccionario (interacciones entre electrones) que combinado con la estabilidad topológica, conducían a un estado cuántico con potencial tecnológico que luego fue reforzado con la demostración de la no necesidad de un campo magnético para la generación del efecto, lo que dio origen a la demostración de la existencia del efecto Hall cuántico de Espín haciendo al sistema ideal para la computación (2007), más aun, al mostrarse que es posible generalizarlo a tres dimensiones (aleaciones de Bismuto y Antimonio).

 

Esto lleva a puntualizar que las fases topológicas son indudablemente estables y resistentes a la introducción de impurezas en su fabricación, abriendo las puertas a las computaciones cuántica, y espintrónica y, posiblemente, a demostrar la existencia de los Fermiones de Majorana (partícula que es a su vez su antipartícula) cuya existencia es postulada teóricamente como lo fue, hasta hace tres años, el Bosón de Gibbs.

 

Por tanto, estamos a las puertas de un desarrollo de alto valor científico y técnico por la importancia que conllevan las fases topológicas y su alto potencial tecnológico. He ahí el alcance del premio Nobel de Física 2016.

 



(*) Cortesía Facultad de Ingeniería Petrolera de la UPSA

 

(**) Ingeniero Mecánico, Físico de Altas Energías y Doctor Honoris Causa en Educación. Presidente de la Academia Nacional de Ciencias de Bolivia-Departamental Santa Cruz y Miembro de Numero de la Academia de Ciencias de Nueva York. Creador y Jefe de Carrera de Ingeniería de Petróleo y Gas Natural y Coordinador de Investigación en la Universidad Privada de Santa Cruz de la sierra (UPSA)

 

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