En lo más profundo del corazón de la materia se esconde un mundo exótico. Los átomos oscilan en sincronía o forman parejas de vórtices microscópicas. Ese tipo de fenómenos, que normalmente se producen a temperaturas muy bajas, pueden generar sorprendentes nuevas cualidades materiales.
A temperaturas bajísimas, algunos metales pierden toda resistencia eléctrica, mientras que líquidos ultrafríos se deslizan hacia arriba ante la fuerza de la gravedad de las paredes del recipiente que los contiene.
Esos raros comportamientos a escala microscópica vienen dictados por las leyes de la física cuántica. Los británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz fueron galardonados este año con el Nobel de Física por el descubrimiento de reglas matemáticas inesperadas en ese mundo cuántico.
Los tres científicos investigaron fenómenos que se producen en superficies o en finas capas microscópicas que pueden considerarse bidimensionales. En esas “llanuras de la materia” se descubrieron constantemente nuevos fenómenos, subrayó la Real Academia de las Ciencias de Suecia. Un ejemplo es el efecto Hall cuántico, según el cual la conductividad eléctrica en una de una capa fina en un campo magnético sube de forma repentina y no continua. Por la demostración de ese efecto recibió el Nobel de Física en 1985 el físico alemán Klaus von Klitzing.
Los ganadores de este año utilizaron para sus investigaciones una herramienta matemática especial, la topología. Esta disciplina describe estructuras cuya característica básica se mantiene a pesar de las deformaciones. Por ejemplo, un dado y una pelota pueden transformarse uno en otro, así que son topológicamente iguales. Pero una llanta y una pelota no pueden convertirse uno en otro sin hacer un agujero en la pelota.
Topológicamente, una pelota y una rueda son distintas, pero una rosquilla y una taza con asa son iguales. Y es que la taza tiene un agujero en el asa, así que matemáticamente puede transformarse en una rosquilla, aunque en la realidad su material debería ser lo suficientemente flexible para ello.
A los expertos en topología les interesa solamente cuántos agujeros tiene una estructura, explicó Thors Hans Hansson, miembros del jurado Nobel.
La particularidad es que los agujeros sólo pueden aparecer al completo: algo puede tener un agujero, dos, más o ninguno. Pero no hay ningún paso intermedio, al contrario de lo que suele ocurrir en la física.
“Intenten imaginarse medio agujero”, pidió Hansson. “No puede ser. No puede existir medio agujero”. Así que la topología sirve para describir los comportamientos repentinos de muchos materiales, como en el efecto Hall cuántico.
“Resultó que muchos materiales tienen dichas cualidades topológicas, sólo que no se habían buscado”, explicó Haldane.
El descubrimiento abrió un nuevo campo de investigación, ya que gracias a este enfoque matemático, los físicos descubrieron fases topológicas, además de las conocidas (sólida, líquida y gaseosa).
Así como en un cambio de fase el hielo se convierte en agua, también hay cambios de fases topológicas en las que cambia el número de agujeros y con ello las cualidades de la materia, por ejemplo la conductividad eléctrica en el efecto Hall cuántico.
Se trata de un descubrimiento poco palpable, pero que “allanó el camino para idear nuevos materiales con nuevas cualidades”, explicó Nils Mårtensson, miembro del Comité Nobel.
El descubrimiento de fases topológicas tiene una gran importancia, subrayó Hansson. “Muestra de una manera hermosa la interacción entre la física y la matemática”, explicó. Además podría tener muchas aplicaciones, aunque estas todavía no se puedan concretar.
Explicación particular
Comida para explicar teorías complejas es la fórmula escogida por la Real Academia de las Ciencias de Suecia para aclarar el campo de la física que se ha llevado el Nobel. Para ilustrar el concepto de topología, Thors Hans Hansson, miembro del jurado y profesor de física teórica, mostró a los periodistas una rosquilla, un bollo de canela y un pretzel sueco.
“El número de agujeros es lo que se conoce como propiedad topológica”, explicó Hansonn, y señaló que el bollo no tiene agujeros, la rosquilla tiene uno y el pretzel dos.
Mats Larsson, también miembro del jurado y profesor de Física Molecular, explicó: “Una donut tiene la misma tipología que un salvavidas, un agujero.
Así que hay una cantidad inmensa de cosas que pueden tener distinto tamaño y forma, pero que tienen algo en común, su topología.
Según la Real Academia, una esfera o un bol pertenecen a una misma categoría, mientras que una rosquilla con un agujero en el centro y una taza de café con un agujero en el asa pertenecen a otra.
El trío británico:
Michael Kosterlitz.
Un científico tímido
La noticia del Nobel no le encontró en el laboratorio ni dando clase.
“Ahora mismo estoy en un aparcamiento en Helsinki”, dijo a la radio sueca el investigador. Hijo de un emigrante judío alemán, Kosterlitz nació en 1942 en Aberdeen, Escocia. Ya no contaba con recibir el Nobel. “Estuve nominado algunas veces. Pero hoy me quedé algo más que sólo sorprendido”, afirmó el físico, que celebrará con un par de cervezas finlandesas con amigos. Su hijo Jonathan lo describe como un hombre muy tímido y reservado.
Kosterlitz trabaja desde 1982 como profesor en la Universidad Brown en Provindence (Rhode Island, Estados Unidos). Estudió en Cambridge y se doctoró en Física de Altas Energías en la Universidad de Oxford en 1969. Investigó en Turín, Princeton, los Laboratorios Bell y en Harvard, entre otros.
El año 2000 recibió el Premio Lars Onsager de la Sociedad Estadounidense de Física.
David James Thouless.
Un "gentleman" adelantado a su época
En la Universidad de Birmingham siempre reciben con agrado a David James Thouless, de 82 años. Allí fue donde, en los años 70, realizó su descubrimiento más importante en el campo de la física cuántica junto con Michael Kosterlitz.
El actual director del Instituto de Física de Birmingham, Andy Schofield, describe a Thouless como un “gentleman” tranquilo y discreto. En su opinión, es un genio muy adelantado a su época. Thouless nació en 1934 en Bearsden, Escocia, y fue alumno del prestigioso internado Winchester College de Südengland.
Estudió en la Universidad de Cambridge y se doctoró en 1958 en la Universidad Cornell, en el estado de Nueva York, dirigido por el también Nobel de Física Hans Bethe. Desde 1980 es profesor en al Universidad de Seattle, ahora ya émerito.
Entre otros, recibió el Premio Wolf en Física en 1990 y diez años después el Premio Lars-Onsager.
Frederick Duncan M. Haldane.
Un investigador tranquilo
Duncan Haldane reaccionó con calma al enterarse de que había ganado el Nobel de Física. “Soy un poco británico, o flemático, en lo que se refiere a esas cosas, así que no desmayé ni nada parecido”, le citó en Twitter la Real Academia de las Ciencias de Suecia.
Frederick Duncan Michael Haldane nació en 1951 en Londres. Tras estudiar en Cambridge y Oxford partió hacia Estados Unidos, a California. Allí trabajó, entre otros, en la Universidad del Sur de California, en la Universidad de California en San Diego y en el departamento de investigación de una empresa.
Desde 1990 es profesor en la Universidad de Princeton, en Nueva Jersey.
Antes que el Nobel, recibió numerosos premios, entre otros el Oliver E. Buckley, y ofrece charlas sobre sus investigaciones por todo el mundo, últimamente en Japón, Italia, Israel, Suecia o Alemania.
