Referencia: Perimeter.Institute.ca .

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

– Relacionados:
· Leer este documento en Science .
· El número actual de Nature proporciona confirmación experimental de la existencia del líquido cuántico de espín, uno de los nuevos estados de la materia predichos teóricamente por Wen y sus colaboradores.
· 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.

– 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.

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