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Martes, 15 enero 2013
Física

Las fases asombrosamente numerosas de la materia

Los estados sólido, líquido y gaseoso son los tradicionales. Pero en realidad hay más de 500 fases de la materia. Xiao-Gang Wen, del Instituto Perimeter de Física Teórica en Canadá, ha presentado un resumen de resultados de estudios así como los argumentos a favor de la reclasificación consiguiente de los estados de la materia.

La física de la materia condensada, la rama de la física encargada de descubrir y describir la mayoría de estas fases, tradicionalmente ha clasificado a las fases por la forma en que sus constituyentes fundamentales, por lo general átomos, están organizados. La clave es un concepto llamado simetría.

Para entender la simetría en este contexto, imagínese desplazándose a través de agua líquida en una nave increíblemente pequeña: Los átomos circularían alrededor suyo al azar y en cualquier dirección, tanto hacia arriba como hacia abajo o hacia los lados. El término técnico para esto es "simetría", y los líquidos son altamente simétricos. El hielo, otra fase del agua, es menos simétrico. Si usted se desplazara a través de hielo de la misma manera indicada en el ejemplo anterior, vería pasar las filas rectas de estructuras cristalinas con tanta regularidad como las vigas de un rascacielos sin terminar. Ciertos ángulos le brindarían diferentes panorámicas. Ciertas rutas estarían bloqueadas, y otras abiertas. El hielo tiene muchas simetrías; cada "piso" y cada "habitación" tendrían el mismo aspecto, por ejemplo.

La clasificación de las fases de la materia mediante la descripción de sus simetrías y de dónde y cómo se rompen esas simetrías se conoce como el paradigma de Landau. Más que una mera forma de organizar las fases de la materia en un gráfico, la teoría de Landau es una poderosa herramienta que guía a los científicos en el descubrimiento de nuevas fases de la materia y les ayuda a lidiar con los comportamientos de las fases conocidas. Los físicos estaban tan satisfechos con la teoría de Landau que durante bastante tiempo creyeron que todas las fases de la materia podían ser descritas mediante simetrías. Debido a ello, fue toda una sorpresa descubrir algunas fases que la teoría de Landau no podía describir.

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En la década de 1980, Xiao-Gang Wen y otros estudiosos de la materia condensada comenzaron a investigar nuevos sistemas cuánticos en los que existían numerosos estados con el mínimo nivel energético posible que tenían la misma simetría. Sin embargo, esos nuevos estados contienen un nuevo tipo de orden: el orden topológico. El orden topológico es un fenómeno de la mecánica cuántica, y sobrepasa el campo de aplicación de la teoría de Landau, que se basa en conceptos de la física clásica.

El orden topológico es un concepto más general de las fases cuánticas y las transiciones entre ellas. En este nuevo marco, las fases de la materia no se describieron mediante los patrones de simetría en el estado con el mínimo nivel energético posible, sino mediante los patrones de una propiedad cuántica, el entrelazamiento cuántico. Cuando dos partículas están entrelazadas cuánticamente, las mediciones realizadas sobre una de ellas afectan inmediatamente a la otra, independientemente de cuán lejos esté una de otra. Los patrones de estos efectos cuánticos, a diferencia de los patrones de las posiciones atómicas, no podían ser descritos por sus simetrías. Si desde la cabina de la nave increíblemente pequeña del ejemplo usted tuviera que describir una ciudad como un estado topológicamente ordenado, ya no describiría las vigas y edificios de los cristales que van pasando ante su mirada, sino conexiones invisibles entre ellos; sería más bien como describir una ciudad basándose en el flujo de información de su sistema telefónico.

Esta descripción más general de la materia, desarrollada por Wen y sus colaboradores, era convincente, pero todavía había algunas fases que no encajaban.

En el nuevo estudio, esos cabos sueltos se solucionan.

El nuevo sistema de clasificación permitirá profundizar en estas fases cuánticas de la materia, lo que a su vez aumentará la capacidad de los científicos para crear y controlar estados de la materia utilizables en computadoras cuánticas y en otras máquinas por ahora teóricas.

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