Hay
que dejar aparte lo sólido, líquido y gaseoso: de hecho hay más de 500 fases de
la materia. En un importante artículo publicado en la Science, Xiao-Gang
Wen miembro del Insituto Perimeter, revela una moderna reclasificación de
todos ellas.
Para entender la simetría, imaginemos el vuelo a través del agua líquida de
una nave increíblemente pequeña: los átomos se arremolinan a su alrededor al
azar y en todas las direcciones, ya sea arriba, abajo o hacia los lados. El
término técnico para esto es “simetría”, y los líquidos son altamente
simétricos. El cristal de hielo, otra fase del agua, es menos simétrico. Si
volamos a través del hielo de la misma manera, veríamos unas filas rectas de
estructuras cristalinas pasando con tanta regularidad como las vigas de un
rascacielos sin terminar. Ciertos ángulos te darían diferentes puntos de vista.
Ciertos caminos estarían bloqueados, otros abiertos. El hielo tiene muchas
simetrías, por ejemplo, cada “planta” y cada “habitación” tendrían el mismo
aspecto, pero los físicos diríamos que la alta simetría del agua líquida está
rota.
Esta descripción más general de la materia desarrollada por Wen y sus
colaboradores era muy poderosa; pero todavía había algunas fases que no
encajaban. En concreto, un conjunto de fases entrelazadas de corto alcance que
no rompen la simetría, las llamadas fases topológicas de simetría protegida.
Ejemplos de este tipo de fases son los superconductores y los aislantes
topológicos, que son de interés ampliamente generalizado, porque muestran la
promesa de su uso en la próxima generación de la electrónica cuántica.
Este trabajo echa una mirada reveladora al intrincado y fascinante mundo de
entrelazamiento cuántico, y un paso importante hacia una nueva clasificación
moderna de todas las fases de la materia.
La física de materia condensada es una rama de la física
encargada de descubrir y describir la mayor parte de estas fases, de manera tradicional se han clasificado dichas fases
por la forma en que se construyen y se organizan sus bloques fundamentales, en
general los átomos. La clave para ello se llama simetría.
La clasificación de
las fases de la materia mediante la descripción de sus simetrías, y dónde y cómo
se rompen esas simetrías, se conoce como el paradigma de Landau. Más que una forma de ordenar 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,
ayudándoles a entender el comportamiento de las fases conocidas. Los físicos
estaban muy cómodos con la teoría de Landau dado que durante mucho tiempo
creyeron que todas las fases de la materia podían ser descritas por las
simetrías. Así que fue una experiencia reveladora cuando descubrieron un puñado
de fases que Landau no podía describir.
A principios de la
década de 1980, los investigadores de la materia condensada, entre los que se
incluía Xiao-Gang Wen, ahora miembro del Perimeter Institute, estuvieron
investigando nuevos sistemas cuánticos donde podían existir numerosos estados
básicos con la misma simetría. Wen señaló que esos nuevos estados contienen un
nuevo tipo de orden: el orden topológico. El orden topológico es un fenómeno mecánico
cuántico: no está relacionado con la simetría de un estado fundamental, sino con
las propiedades globales de la función de onda del estado fundamental. Así pues,
trasciende el paradigma Landau, el cual está basado en conceptos de física
clásica.
El orden topológico es una comprensión más
general de las fases cuánticas y las transiciones entre ellas. En este nuevo
marco, las fases de la materia no se describen por los patrones de simetría de
su estado fundamental, sino por los patrones de una propiedad cuántica, el
entrelazamiento. Cuando dos partículas están entrelazadas, ciertas mediciones
realizadas en una de ellas afectan inmediatamente a la otra, no importa lo
alejadas que estén una de otra.
Los patrones de estos efectos cuánticos, a
diferencia de los patrones de las posiciones atómicas, no pueden ser descritos
por sus simetrías. Si tuviéramos que describir una ciudad como un estado
topológico ordenado desde nuestra diminuta e imposible cabina de vuelo, no
podríamos describir las vigas y los edificios de cristales que pasan, sino más
bien como las conexiones invisibles que hay entre ellos, sería algo así como
describir una ciudad basándose en el flujo de información de su sistema
telefónico.
En el documento presentado en la edición de Science, Wen y sus
colaboradores revelan un nuevo sistema que puede, por fin, conseguir clasificar
estas fases de simetría protegida.
Usando las
matemáticas modernas, específicamente la teoría de la
cohomología y la teoría super-cohomológica de grupo, los investigadores han
construido y clasificado las fases de simetría protegida para cualquier número
de dimensiones y simetrías. Su nuevo sistema de clasificación permitirá conocer
acerca de estas fases cuánticas de la materia, que a su vez pueden aumentar
nuestra habilidad para diseñar estados de la materia y usarlos en los
superconductores o los ordenadores cuánticos.
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- Relacionados:
· Leer este documento en Science .
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· Ensayo de Wen sobre las relaciones entre la materia condensada física y la cosmología.
· Una introducción a la comprensión de las fases de la materia basada en la simetría.
- Acerca de XIAO-GANG WEN: Considerado como uno de los principales teóricos de la materia condensada en el mundo, Xiao-Gang Wen holds the BMO Financial Group Isaac Newton Chair at Perimeter Institute for Theoretical Physics. The BMO/Newton Chair was established by a $4 million gift from the BMO Financial Group in 2010 and, in 2011, Wen joined Perimeter from MIT as its inaugural occupant. Leer un resumen accesible de su investigación.
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- Fuente: Perimeter Institute for Theoretical Physics., vía
EurekAlert!.org
- Imagen 1): Xiao Gang-Wen, miembro de Perimeter Institute. Imagen 2) Impresión artística de un entretejido de luz y electrones. Las redes entretejidas son una clase teórica de materia topológicamente ordenada.
- Imagen 1): Xiao Gang-Wen, miembro de Perimeter Institute. Imagen 2) Impresión artística de un entretejido de luz y electrones. Las redes entretejidas son una clase teórica de materia topológicamente ordenada.
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