En condiciones extremas la materia también puede adoptar otros estados y desarrollar propiedades inusuales. Es el caso de los superconductores, los superfluidos o las capas magnéticas finas. En la actualidad pueden utilizarse en nuevas generaciones de productos electrónicos y superconductores o en futuros ordenadores cuánticos.
Tres científicos que “han revelado los secretos de la materia exótica” y que “han abierto la puerta a un mundo desconocido en que la materia puede adoptar estados extraños” han sido reconocidos con el premio Nobel de Física de 2016, según ha anunciado la Academia de Ciencias Sueca.
Esos estados extraños o exóticos de la materia suceden cuando es sometida a temperaturas extremadamente altas o bajas. Es aquí precisamente en donde la materia adopta estados inusuales y abre puertas a un mundo desconocido y de muchas posibilidades de aplicación. Los científicos llaman a esta disciplina topología: un campo de la matemática que describe las propiedades que sólo cambian de forma escalonada, es decir, que se mantienen intactas cuando un objeto se estira, retuerce y deforma, pero no cuando se divide.
Según el veredicto del jurado, han obtenido el galardón “por descubrimientos teóricos de transiciones de fase topológicas y estados topológicos de la materia”. Sus descubrimientos se han basado en materiales de dos dimensiones que, a bajas temperaturas, exhiben propiedades antiintuitivas.
En sus investigaciones, “han utilizado métodos matemáticos avanzados para estudiar fases, o estados, inusuales de la materia”, como los materiales superconductores o los superfluidos. Estas aportaciones teóricas han abierto la vía a trabajos experimentales para buscar “nuevos y exóticos estados de la materia” que pueden tener “futuras aplicaciones tanto en ciencia de materiales como en electrónica”.
Han transformado la visión de los materiales superconductores y de los líquidos superfluidos. Los superconductores conducen electricidad sin ofrecer ninguna resistencia ni pérdida de energía; por lo tanto, sin pérdida de calor pero creando un potente campo magnético. Ya se utilizan hoy día en máquinas de resonancia magnética para diagnóstico médico y se han ensayado en trenes de levitación magnética. Los superfluidos, por su parte, fluyen sin viscosidad y, por lo tanto, sin pérdida de energía cinética.
Los investigadores demostraron a principios de los años 70 que la superconductividad y la superfluidez podían darse en capas finas, bidimensionales, algo que en aquella época se consideraba imposible y que ha facilitado sus aplicaciones industriales. Asimismo, explicaron por qué la superconductividad de cualquier material se pierde cuando su temperatura se eleva por encima de un punto crítico: es porque el material experimenta lo que se llama una transición de fase, lo que modifica sus propiedades.
Las investigaciones se basaron en la topología, una rama de las matemáticas que describe propiedades que cambian de manera discreta y no de manera continua. Por ejemplo, una figura con forma de dónut tiene un agujero. Si se dobla y se le da forma de ocho, tendrá dos. En ambos casos tendrá propiedades distintas. Pero si, en lugar de doblarla, la figura del dónut se moldea y se le da forma de taza, con una asa como único agujero, tendrá las mismas propiedades topológicas que el dónut original. Gracias a las aportaciones de los tres premiados, hoy día conocemos muchas fases topológicas no sólo en capas finas y en hileras, sino también en materiales ordinarios de tres dimensiones.
Las denominadas transiciones cuánticas de la materia son conocidas ya desde hace varios años y se manifiestan cuando la materia se enfría casi hasta el cero absoluto. La baja temperatura modifica el comportamiento de los electrones y lleva los cambios de propiedades de la sustancia de una manera algo semejante a las transiciones termodinámicas. Uno de los estados cuánticos más prometedores para la ciencia y la técnica es el de aislador topológico, el cual, básicamente, permite que la materia conduzca la electricidad solo por su superficie y no por sí misma ni por sus lados.
