Los muchos universos de la materia condensada

La idea de partícula no se limita a los constituyentes elementales del universo. En los últimos años, un «zoo» de nuevas cuasipartículas ha revolucionado la física de materiales.

Bajo determinadas circunstancias, las excitaciones colectivas de un material se comportan como si fueran partículas elementales con cierta masa, carga y espín. Su variedad, sin embargo, ha resultado ser mucho mayor que la de las partículas fundamentales conocidas en la naturaleza. [GETTY IMAGES/SHULZ/ISTOCK]

En síntesis

Un material es un sistema físico compuesto por cientos de miles de trillones de partículas. Eso hace imposible entender propiedades como la superconductividad o la superfluidez a partir de una descripción puramente microscópica.

Una herramienta clave para estudiar tales fenómenos es la idea de cuasipartícula: excitaciones colectivas de múltiples átomos o electrones que, sin embargo, obedecen ecuaciones idénticas a las de una partícula puntual de cierto tipo.

En los últimos años se han comenzado a investigar varios tipos de cuasipartículas que carecen de análogo en el modelo estándar. Esta sorprendente riqueza ha ampliado de manera insospechada los horizontes de la física de materiales.

A principios del siglo XX, un pequeño laboratorio de la Universidad de Leiden era conocido como «el lugar más frío de la Tierra». Aquel centro de criogenia desempeñaría un papel clave en el desarrollo de la física moderna después de que, en 1908, Heike Kamerlingh Onnes consiguiese licuar helio a 4,2 kelvin, o –268,8 grados Celsius. A partir de ese momento, la flor y nata de la física mundial comenzó a visitar el laboratorio, ya que allí se había logrado algo extraordinario: enfriar un material hasta alcanzar una temperatura muy cercana al cero absoluto (unos 273 grados Celsius). En efecto, la temperatura más baja jamás alcanzada en el planeta.

Tales temperaturas permitían plantearse experimentos hasta entonces inimaginables y abordar algunas preguntas fundamentales de la época. ¿Cómo conducía la electricidad un metal a temperaturas ultrabajas? ¿Cómo variaba la resistencia eléctrica en función de la temperatura? Motivado por estas cuestiones, Kamerlingh Onnes investigó el comportamiento de la corriente eléctrica a través de anillos de mercurio enfriados con helio líquido, y en 1911 descubrió algo totalmente inesperado: a 4,2 kelvin, la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía por completo. Kamerlingh Onnes también demostró que, a temperaturas cercanas al cero absoluto, otros elementos y aleaciones presentaban el mismo fenómeno prodigioso, el cual bautizó como superconductividad. Por aquellos trabajos, Kamerlingh Onnes acabaría recibiendo el Nobel de física en 1913. Sin embargo, habrían de pasar muchos años antes de que la superconductividad pudiese entenderse desde un punto de vista teórico.

El camino que llevó a entender la superconductividad y otras propiedades exóticas de la materia, como la superfluidez, ilustra uno de los grandes cambios de paradigma que han tenido lugar en la física del siglo XX. Dicho cambio ha supuesto pasar de una visión exclusivamente reduccionista y centrada en la física de partículas como única teoría fundamental, a otra que reclama el mismo papel esencial para los fenómenos emergentes y el comportamiento colectivo de los sistemas formados por un gran número de constituyentes. No en vano, los mismos conceptos teóricos que emplean los físicos de altas energías para describir las partículas elementales, como el fotón, el electrón o el bosón de Higgs, se usan hoy en física de materiales, donde la variedad de partículas emergentes conocidas ya supera a la de partículas elementales en el modelo estándar. En los últimos años, estas nuevas partículas y los correspondientes «universos» a los que dan lugar (universos que «viven» en el seno de materiales como el grafeno, los superconductores o los aislantes topológicos) han revolucionado nuestra forma de entender las propiedades de la materia compleja y han dado lugar a avances y aplicaciones impensables hasta hace muy poco.

El nacimiento de una ciencia
En sus primeros experimentos de 1911, Kamerlingh Onnes ya observó que, al enfriarse, el helio-4 líquido se expandía en vez de contraerse. Estudios posteriores demostraron que tanto la densidad como el calor específico del helio presentaban un máximo muy pronunciado en torno a los 2,2 kelvin. Dicha temperatura se denominó «punto lambda» y su existencia generó un gran debate debido a su posible interpretación como transición de fase; es decir, un cambio abrupto en las propiedades del helio. La fase de menor temperatura, por debajo 2,2 kelvin, fue bautizada como helio II, mientras que la correspondiente a temperaturas mayores recibió el nombre de helio I.

Más de dos décadas después, en 1937, el físico soviético Piotr Kapitsa demostró en Moscú que, por debajo del punto lambda, el helio se comportaba como un líquido con ausencia total de viscosidad. En particular, podía fluir sin rozamiento hasta el punto de subir por las paredes de un recipiente y acabar derramándose. Kapitsa denominó «estado superfluido» a esa nueva fase hasta entonces desconocida, cuyo estudio le valdría el premio Nobel de física de 1978. (John Allen y Don Misener, dos discípulos de Kapitsa en Cambridge, habían demostrado el mismo efecto en 1937, aunque no recibieron el Nobel.)

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