Agujeros negros, inesperados modelos de superconductores

Los agujeros negros figuran entre los objetos más pesados del universo. Los electrones figuran entre los más ligeros. Ahora, unos físicos han demostrado cómo agujeros negros cargados puede utilizarse para modelar el comportamiento de la interacción de los electrones en los superconductores no convencionales.

El contexto de esta cuestión es la superconductividad a altas temperaturas. Uno de los grandes problemas no resueltos de la física es el origen de la superconductividad (un estado de conductividad con resistencia cero) en materiales cerámicos de óxido de cobre, descubierta en 1986.

A diferencia de los superconductores tradicionales, metales todos ellos, los nuevos superconductores son inicialmente aislantes.

En el estado aislante de los materiales de óxido de cobre, hay mucho lugar para que los electrones salten, y sin embargo, no hay flujo de corriente. Ese estado de la materia, conocido como aislante de Mott, por el trabajo pionero de Sir Neville Mott, surge de las fuertes repulsiones entre los electrones. Aunque este hecho está bien constatado, gran parte de la física de los aislantes de Mott ha permanecido sin resolver, porque no se ha contado con ninguna solución exacta del problema de Mott que sea directamente aplicable a los materiales de óxido de cobre.

Aquí entra en escena la Teoría de las Cuerdas, un intento de describir las conocidas fuerzas fundamentales de la naturaleza, entre ellas la gravedad, y sus interacciones con la materia, en un solo sistema matemáticamente completo.

Hace catorce años, un teórico de las Cuerdas, Juan Maldacena, conjeturó que algunos sistemas de mecánica cuántica con fuerte interacción podrían ser modelados por la gravedad clásica en un espacio-tiempo que tenga una curvatura negativa constante. Las cargas en el sistema cuántico son sustituidas por un negro agujero cargado en el espacio-tiempo curvo, enlazando así la geometría del espacio-tiempo con la mecánica cuántica.

Puesto que el problema de Mott es un ejemplo de partículas interactuando fuertemente, Philip Phillips de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y sus colegas Robert G. Leigh, Mohammad Edalati, y Ka Wai se preguntaron: "¿Es posible elaborar una teoría de la gravedad que imite a un aislante de Mott?" La respuesta es Sí, tal como lo han demostrado.

Los investigadores, basándose en el trabajo de Maldacena, idearon un modelo para el movimiento de los electrones en un espacio-tiempo curvo en presencia de un agujero negro cargado que captura dos de las características del estado normal de los superconductores de alta temperatura.

El tratamiento muestra sorprendentemente que el límite del espacio-tiempo que consta de un agujero negro cargado y electrones que interactúan débilmente, ostenta una barrera para los electrones que se mueven en esa región, al igual que en el estado de Mott. Este trabajo implica que el problema de Mott ha sido resuelto (esencialmente con exactitud) en un sistema bidimensional, que es el más relevante para los superconductores de alta temperatura.