Lilliput, el país de las maravillas.

¿Por qué recibieron el Premio Nobel de física los 3 premiados de 2016? Aunque el enunciado oficial parece complicado, el motivo del premio puede enunciarse de manera que prácticamente cualquier persona lo entienda: “Por predecir nuevas formas de agregación de la materia”.

La manera como los átomos se unen para formar la materia es la que determina su estado de agregación.  La mayoría de las personas identifica tres formas de agregación de la materia, que son los sólidos, los líquidos y los gases. Algunas personas reconocen una cuarta forma, que son los plasmas.

En los gases las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas es muy débil, en comparación con las que los mantienen unidos en un sólido. En un líquido la fuerza que mantiene unidas a las moléculas tiene una intensidad intermedia a las de los otros dos estados de agregación.

Cuando a un material en uno de estos estados, se le agrega energía (o se le resta) puede llegar a cambiar su estado. Es así como un sólido se vuelve un  líquido o un gas se licúa. A estos cambios de estado se les llama transiciones de fase, identificando al estado líquido, gaseoso, o sólido con una fase.

Sin embargo estos estados no son las únicas fases de la materia. En general una fase está asociada con una manera particular de acomodarse los átomos en un material y si,  en un mismo sólido, lo hacen de manera diferente, ese sólido presenta dos fases distintas. Un ejemplo es el carbono que puede presentarse como sólido en una estructura de grafito, de carbono o de fullereno.

La manera en que se acomodan los átomos para formar un sólido (o un líquido o un gas) definen propiedades importantes como su conductividad eléctrica y térmica. El hecho de que un material sea conductor, semiconductor o aislante tiene que ver con la forma como están acomodados los átomos, es decir tiene que ver con la fase.

El templado y otros tratamientos térmicos que se aplican a los metales, tienen justamente como objetivo cambiar las propiedades físicas del sólido (asociadas a la manera como los átomos están acomodados) sin cambiar sus propiedades químicas. Es decir el metal no cambia, pero si sus propiedades físicas, como dureza, conductividad…

Muchos fenómenos interesantes están asociados a transiciones de fase, por ejemplo la transición de un material a un estado de súper fluido  o a un estado de superconductividad que consisten en un aumento de la conductividad eléctrica en el segundo caso y una disminución de la viscosidad, en el primero.

Propiedades como la conductividad o la viscosidad, conocidas como coeficientes de transporte,  varían cuando las dimensiones de los materiales disminuyen hasta que se convierten en nano materiales, como el grafeno, cuyo estudio por cierto está asociado también al otorgamiento de un premio nobel reciente.  

El estudio de la conductividad eléctrica en nano materiales, de prácticamente una sola capa de átomos llevó a dos físicos de Birmingham, David Thouless y Michael Kosterlitz, a principios de los años 70 del siglo pasado, a tratar de entender por qué está propiedad cambiaba de manera discontinúa. En un momento la conductividad tenía un valor y en seguida era del doble, sin pasar por valores intermedios.

Estos saltos en los valores de la conductividad se asociaron a transiciones de fase, es decir a reordenamientos de los átomos en las delgadas capas del material. La forma en que lo hacían, era totalmente desconocida en esos años y justamente Thouless y Kosterlitz propusieron un mecanismo para explicarlo. A este tipo de transiciones se les conoce como transiciones K-T, por las iniciales de los dos científicos y a las nuevas formas de acomodarse la materia,  les llamaron fases topológicas.

El origen del nombre viene de la matemática que está involucrada en el estudio de la mecánica cuántica que describe esos fenómenos.

Todo esto en los años 70 y 80 del siglo pasado.  Incluso en 1985 el físico alemán Klaus von Klitzing, recibió el Nobel por su estudio del efecto Hall cuántico, realizado en 1980. El experimento consistía en estudiar la conductividad eléctrica en una capa de muy pocos átomos de espesor y que se coloca en un campo magnético.

Este experimento de acuerdo a lo que menciona Jainendra k. Jain en su libro “Composite Fermions”, inició un nuevo campo de la física: “Las dos y media décadas anteriores han presenciado el nacimiento y evolución de un nuevo fluido cuántico que ha producido algunas de las más profundamente bellas estructuras en física. Este fluido se forma cuando los electrones se confinan en dos dimensiones, enfriados a una temperatura absoluta cercana al cero absoluto, sometidos a un fuerte campo magnético”. A estos nuevos fluidos se le llamó fluidos cuánticos topológicos.

Duncan Haldane, el tercer galardonado con el Nobel en 2017 -junto con Thouless y Kosterlitz- predijo que fluidos cuánticos topológicos, como los que aparecían en el estudio del efecto hall, podían formarse en capas muy delgadas de superconductores, aun sin la presencia de un campo magnético. En 2014 fue posible, enfriar capas muy delgadas de conductores y realizar el experimento que confirmó la predicción teórica del hoy premio Nobel.

Una vez que se conoció la existencia de estos nuevos estados topológicos, se empezaron a identificar otras circunstancias en las que la materia se encontraba organizada de esa forma. Una notable es la de las cadenas de imanes atómicos.

En el nivel microscópico existen dos tipos de imanes atómicos, los imanes pares y los imanes nones. Haldane demostró que una cadena de imanes pares tiene una estructura topológica; mientras que otra formada por imanes nones, no la tiene.  

Sin lugar a dudas se seguirán descubriendo este tipo de estructuras en otras situaciones  y pronto habrá aplicaciones tecnológicas derivadas de sus propiedades para conducir la electricidad.

Todo esto es realmente muy emocionante, no hay duda que el mundo de los nano materiales es el verdadero país de las maravillas.