La Real Academia Sueca de las Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Física de este año a tres físicos de origen británico que trabajan en Estados Unidos. La mitad del premio se ha concedido al investigador David J. Thouless, de la Universidad de Washington (Seattle); y la otra mitad, compartida, a los profesores F. Duncan M. Haldane, de la Universidad de Princeton y J. Michael Kosterlitz, de la Universidad Brown.

Los tres galardonados han abierto la puerta a un mundo desconocido donde la materia puede adoptar estados extraños. Los premiados han utilizado métodos matemáticos avanzados para estudiar fases o estados inusuales de la materia, como la que forma parte de los superconductores, los superfluidos y las películas magnéticas delgadas.

Gracias a su trabajo pionero, los científicos pueden ahora buscar nuevas y exóticas fases de la materia, que podría aplicarse en nuevas investigaciones y dispositivos en los campos de la ciencia de los materiales y la electrónica.

En concreto, el jurado los ha premiado “por sus descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y de las fases topológicas de la materia”. 

Matemáticas que sorprenden

El uso de los conceptos topológicos en física de los tres laureados fueron decisivos para sus descubrimientos. La topología es una rama de las matemáticas que describe las propiedades de las figuras que solo cambian de forma escalonada, paso a paso. Usando la topología fueron capaces de sorprender a la comunidad científica.

La topología ha sido clave en los descubrimientos de los galardonados con el Nobel de Física 2016 y explica por qué la conductividad dentro de capas delgadas cambia a saltos. Esta rama de las matemáticas se centra en propiedades que se modifican paso a paso, como el número de agujeros en los objetos de la imagen. / Nobelprize.org

A principios de la década de los 70, Michael Kosterlitz (Aberdeen, 1942) y David Thouless (Bearsden, 1934) refutaron la por entonces vigente teoría que la superconductividad y superfluidez, que señalaba que estas propiedades no podían ocurrir en capas delgadas. Sin embargo, ellos demostraron que la superconductividad puede suceder a bajas temperaturas y también explicaron el mecanismo de transición de fase que hace que la superconductividad desaparezca a temperaturas más elevadas.

En la década de 1980, Thouless ya fue capaz de explicar un experimento anterior en el que, con capas conductoras de la electricidad muy finas, se había logrado medir de forma precisa las variaciones en la conductancia (facilidad para conducir la electricidad) y se había encontrado que cambiaba con pasos 'enteros'. Demostró que estos cambios tenían una naturaleza topológica. Aproximadamente al mismo tiempo, Duncan Haldane (Londres, 1951) también descubrió que los conceptos topológicos se puede utilizar para comprender las propiedades de las cadenas de pequeños imanes que se encuentran en algunos materiales.

Ahora se conocen muchas fases topológicas, no solo en finas capas e hilos, sino también en materiales tridimensionales ordinarios. Durante la última década, este campo ha impulsado una investigación de primera línea en la física de la materia condensada, con la esperanza de que los materiales topológicos se puedan utilizar en nuevas generaciones de productos electrónicos y superconductores, o incluso en los futuros ordenadores cuánticos. Las últimas investigaciones ya han comenzado a revelar los secretos de la materia en los mundos exóticos descubiertos por los premios Nobel de Física de este año.

La transición de fase es el cambio de una fase a otra de la materia. Por ejemplo, lo que ocurre cuando el hielo se derrite y se convierte en agua líquida. Usando la topología, Kosterlitz y Thouless describieron una transición de fase topológica en una fina capa de materia muy fría. En estas gélidas condiciones, se forman pares de vórtices que luego se separan de repente a la temperatura de la transición de fase. Este fue uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX en física de la materia condensada. / Nobelprize.org