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Actualidad científica

  • 21/09/2017 - Evolución humana

    ¿Cuántos neandertales había?

    La arqueología y la genética han dado respuestas muy diferentes a esa pregunta. Un nuevo estudio las reconcilia y descubre la historia de aquella antigua gente, en la que rozaron alguna vez, mucho antes de la definitiva, la extinción.

  • 20/09/2017 - BIOLOGÍA REPRODUCTIVA

    Macrófagos testiculares, guardianes de la fertilidad masculina

    Responsables de eliminar los patógenos de nuestro organismo, estas células moderan también la respuesta inmunitaria para evitar la destrucción de los espermatozoides.

  • 19/09/2017 - Zoología

    ¿Ha extinguido Irma especies?

    Junto  a las pérdidas humanas y económicas, el huracán Irma ha tenido también graves consecuencias para la naturaleza.

  • 18/09/2017 - Materiales cuánticos

    Calor topológico

    Un trabajo analiza por primera vez el comportamiento de los aislantes topológicos en presencia de focos térmicos. Sorprendentemente, la aparición de un flujo de calor no parece arruinar la robustez de estos materiales.

  • 17/09/2017 - Sismología

    Una misteriosa sacudida detectada tras la prueba nuclear norcoreana desconcierta a los sismólogos

    Una segunda liberación de energía sísmica, observada solo unos minutos después de la detonación del 3 de septiembre, sigue confundiendo a los investigadores.

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  • Investigación y Ciencia
  • Septiembre 2017Nº 492
Panorama

Materiales

La materia cuántica, vista desde la quinta dimensión

La teoría de cuerdas como herramienta para investigar los estados topológicos de la materia.

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El premio Nobel de física de 2016 fue concedido por el descubrimiento de los materiales topológicos, fases cuánticas de la materia cuyas exóticas propiedades auguran desde mejores dispositivos electrónicos hasta ordenadores cuánticos. En los últimos años, este incipiente campo de investigación ha vivido avances considerables; entre ellos, el descubrimiento experimental de nuevas fases topológicas. En el plano teórico, algunos progresos han venido de un área insospechada para muchos: la teoría de cuerdas y las matemáticas de los agujeros negros en cinco dimensiones espaciotemporales.

¿Cómo es posible que los modelos que empleamos para describir la gravedad y la física de partículas a energías muy elevadas sirvan también para investigar el comportamiento de los electrones de un material? La razón obedece a lo que en física llamamos «universalidad»: a menudo, los detalles asociados a los constituyentes microscópicos de un sistema y sus interacciones no resultan tan importantes como las limitaciones que imponen la simetría y la topología. Si las ecuaciones básicas de dos sistemas físicos comparten ciertas simetrías y propiedades topológicas, su comportamiento será el mismo con independencia de que hablemos de agujeros negros, quarks a altas energías o electrones en un cristal.

En una serie de trabajos recientes realizados junto con otros investigadores, hemos empleado tales herramientas para analizar las propiedades de ciertos materiales topológicos descubiertos experimentalmente hace muy poco: los semimetales de Weyl.
 

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Simetría y topología
En general, hablamos de una simetría cuando podemos transformar un objeto de cierta manera y el resultado es equivalente al objeto original. En mecánica cuántica, la función de onda es un número complejo que, como tal, viene dado por un valor absoluto y una «fase», o ángulo. Esto puede representarse como una flecha en un plano: la longitud de la flecha representa el valor absoluto del número complejo, mientras que el ángulo que esta subtiende con el eje horizontal corresponde a la fase.

Cambiar la fase de un estado cuántico equivale a rotar esa flecha un cierto ángulo alrededor del origen. En general, tales rotaciones constituyen simetrías en mecánica cuántica, ya que no alteran las propiedades observables del estado físico. Imaginemos ahora un electrón en el seno de un cristal y supongamos que lo desplazamos a lo largo de un camino cerrado. Al volver al punto de partida, la fase de la función de onda podrá haberse desplazado hacia delante y hacia atrás. Sin embargo, puede que tal vez haya dado una o más vueltas alrededor del origen. En este segundo caso decimos que existe un índice topológico: el número que indica cuántas vueltas completas ha descrito la fase de la función de onda.

En ciertos cristales, la función de onda que describe las cuasipartículas electrónicas (excitaciones colectivas de los electrones) está caracterizada por tales índices topológicos. En los semimetales de Weyl, ello implica que las cuasipartículas son de dos tipos: «dextrógiras» o «levógiras». Eso significa que se comportan como fermiones cuyo espín apunta, bien en el sentido de su momento, o bien en el sentido opuesto.

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