Y yo quiero ser...Física Teórica de la Materia
Condensada
(Por
Belén Valenzuela Requena)
Cuando acabé
la carrera de físicas, estaba buscando un tema para hacer una tesis. Pensaba
que los grandes temas eran la astrofísica o la física de las altas energías que
se investiga en el CERN. Fui a hablar con una antigua profesora de mi
Universidad que más tarde se convertiría en mi directora de tesis. Me habló de
unos compuestos misteriosos, los cupratos, que eran superconductores de alta
temperatura y no se sabía por qué. También me contó que la teoría de los metales
convencionales no podía explicar la fase metálica de estos compuestos. Me
enseñó el diagrama de fases mostrado en la Fig. 1 donde la temperatura es el
eje vertical y el dopaje, en el que se cambia un elemento químico por otro de
distinta carga, el eje horizontal. Todos los colores del diagrama tenían una
historia larga que contar llena de misterios. En aquel momento no entendía bien
de lo me hablaba pero estaba fascinada con el enigma que encerraba ese
material. Vería muchísimas veces más ese diagrama de fases a lo largo de mi
vida y aprendí que la disciplina que estudia las fases de la materia se llama
Física de la Materia Condensada. Pero vamos por partes.
¿Qué es la superconductividad?
La
superconductividad es una fase de la materia. Se caracteriza por dos atractivas
propiedades, resistencia nula y expulsión de campos magnéticos. Esto último da
lugar a espectaculares fenómenos de levitación. La levitación de la Fig. 2 la
hemos mostrado muchas veces a
estudiantes de primaria, secundaria y universitarios que nos visitan en
nuestro centro de investigación. Muchos materiales pueden tener una fase
superconductora pero se necesitan unas temperaturas bajísimas para poder
observarla. La temperatura por debajo de la cual el material se vuelve
superconductor se llama temperatura crítica. Esta fase se descubrió a
principios del siglo XX y se tardó más de 50 años en entenderla. Los héroes de
esta historia son Bardeen, Cooper y Schrieffer que explicaron la
superconductividad en 1956 con su teoría BCS. Los electrones son los que
gobiernan el comportamiento eléctrico y magnético de un material. Los
electrones interaccionan entre ellos y con las vibraciones de los iones del
material y este hecho da lugar a la resistencia cuando se aplica un campo
eléctrico. Por debajo de la temperatura crítica Cooper descubrió que dos
electrones podrían unirse si sentían una fuerza atractiva gracias a un
conocimiento profundo de física cuántica. Bardeen tenía indicios de que esa
fuerza atractiva surgía de las vibraciones positivas de los iones. Con estos
ingredientes, Schrieffer construyó el estado cuántico colectivo macroscópico
que explicaba el estado superconductor. La teoría BCS fue un gran éxito que
explicaba las propiedades y los experimentos sobre la superconductividad. Además,
gracias a ella, se entendió la fase superconductora de las estrellas de
neutrones y dio lugar al descubrimiento del mecanismo Anderson-Higgs clave para
la propuesta del bosón de Higgs.
Los primeros
superconductores tenían una temperatura crítica de unos pocos Kelvin pero los
cupratos de los que hablábamos al principio pueden llegar a 140K. Sin embargo,
no conocemos el mecanismo de la superconductividad de estos compuestos. Los
cupratos pusieron a la luz otros compuestos de los que se desconoce su
mecanismo. En 2008 se descubrieron otros superconductores con temperaturas
críticas altas: los superconductores de hierro, en los que estoy investigando
ahora.
El concepto de emergencia
La
superconductividad es un ejemplo de “estado emergente”. Este concepto es por el
que siento más atracción en mi investigación y es uno de los más profundos de
la Naturaleza: la simplicidad emerge de lo complejo. En el ejemplo del estado
superconductor, en vez de tener el caos de 1022 electrones interaccionando
entre si y con los iones que se encuentren en el sólido, emerge un estado
cuántico colectivo macroscópico. Aunque las palabras son algo abrumadoras lo
que emerge del caos de tantas partículas interaccionando es un solo estado
colectivo.
Fuera de la
física existen ejemplos muy notorios de este concepto, el movimiento colectivo
de una bandada de pájaros, la conciencia
que surge de la interacción de millones de neuronas, la vida o nosotros mismos
también nos podemos ver como un estado emergente.
En todos estos
ejemplos tenemos elementos constituyentes (electrones, pájaros, neuronas,
células) que interaccionan entre si. De esta interacción emerge un estado
(superconductividad, movimiento colectivo, consciencia, nosotros) que no tiene
por qué tener que ver con sus elementos constituyentes. En física de la materia
condensada tenemos herramientas para entender la emergencia. Estas ideas fueron
brillantemente expuestas en el influyente artículo de Philip Anderson “More is different”
(1972). Anderson también dio nombre a esta disciplina: física de la materia
condensada.
¿Qué es la física de la materia condensada?
Como podemos
intuir del ejemplo de la superconductividad, la física de la materia condensada
estudia sistemas compuestos por un número enorme de átomos que interactúan y
dan lugar a las distintas fases de la materia tales como las conocidas fase
líquida y sólida u otras más exóticas como la magnética y la superconductora.
Es decir, es la física de la materia de la que estamos rodeados. Supone un gran
reto en investigación porque es imposible resolver por ningún ordenador un
enorme sistema de ecuaciones acopladas que utilizan las reglas de la física
cuántica. Los fundadores de esta disciplina, entre los que destacan el mítico
Lev Landau y Anderson, muestran una enorme intuición para desentrañar los
secretos de la materia. A ellos les debemos conceptos universales en física tales
como la ruptura de simetría, el concepto de cuasipartícula y el mecanismo de
Anderson-Higgs. Otro gran físico de la materia condensada, John Bardeen, fue el
único en la historia en ganar dos premios Nobel de física, uno por la invención
del transistor (1956) base de toda la computación actual y otro, como hemos
visto, por su explicación de la superconductividad (1972). En total ha habido
29 premios Nobel en materia condensada.
La física de
la materia condensada está detrás de grandes revoluciones tecnológicas como la
electrónica que ha cambiado totalmente nuestra vida. La podemos encontrar en el
corazón de los materiales con los que se hacen los dispositivos que usamos a
diario tales como el móvil o el ordenador. De la física de la materia
condensada también surgirá la nueva tecnología del futuro que nos permitirá
mejorar la tecnología presente tal como las baterías, las células fotovoltaicas
y crear nueva tecnología que ya está despuntando tal como la spintrónica, los
ordenadores cuánticos y la tecnología superconductora. En investigación esta
tecnología está muy dirigida a afrontar los grandes retos que se le presentan a
la humanidad como la crisis energética.
La materia
condensada ofrece la posibilidad de estar en contacto cercano con el
experimento y de hablar con los experimentales. Los experimentos de materia
condensada pueden realizarse en laboratorios medianos, son muy variados y
existen muchos laboratorios en el mundo para poder contrastar.
Pero lo que a
mí más me atrajo de la física de la materia condensada es ese comportamiento
sencillo que emerge de la complejidad de enorme cantidad de partículas
interaccionando. Ya hemos visto un ejemplo, el estado superconductor, veamos
ahora otro: el concepto de cuasipartícula.
Cuasipartículas
Los electrones
de un material que mencionábamos antes son ejemplos de cuasipartículas. Estos
electrones tan familiares que transportan la corriente eléctrica. La corriente
eléctrica es el mayor desarrollo científico que ha cambiado nuestras vidas.
Pero, ¿qué son realmente estos electrones que viajan por el material? ¿Son los
mismos que los electrones individuales? A partir de ahora a los electrones que
transportan la corriente eléctrica les llamaré cuasielectrones.
Tenemos la
imagen, y es la imagen que he usado implícitamente para explicar la
superconductividad, de los cuasielectrones como pequeños puntos que fluyen a
través de un material. Pero hay un secreto muy bien guardado de esta imagen: NO
es correcta. Los cuasielectrones son
ondas de densidad de probabilidad. Son casi idénticos a los electrones en el
vacío pero surgen del movimiento colectivo de muchísimos electrones que
interaccionan entre ellos y con los iones siguiendo las reglas de la física
cuántica. De nuevo algo simple surge de una gran complejidad. Por eso les
llamamos simplemente electrones. La única diferencia notable es que la masa de
los cuasielectrones es diferente a la de los electrones como los ingenieros
electrónicos saben muy bien. Podríamos visualizarlos como una onda que surge al
perturbar un lago (Fig. 4). Este descubrimiento fue uno de los grandes triunfos
de la física del siglo XX y se denomina la teoría del líquido de Fermi. Fue
desarrollada por Lev Landau que acuñó el nombre de cuasipartícula. La fase
metálica de los cupratos y de otros compuestos en investigación no se puede
explicar con la teoría del líquido de Fermi y esto es un gran rompecabezas para
la comunidad científica.
El movimiento
colectivo de las vibraciones de los iones del material es otro ejemplo de
cuasipartículas llamadas fonones. Los fonones nos permiten entender el sonido.
En este caso los fonones (partículas emergentes) no tienen nada que ver con los
iones (partículas constituyentes).
Existen muchas
más cuasipartículas y cada una de ellas tiene su propia historia. En los
últimos años se han encontrado cuasipartículas que tienen sus análogas en la
física de altas energías. Ejemplos muy sonados en investigación son los
fermiones de Dirac del grafeno o las partículas de Majorana de los
superconductores topológicos. Estas últimas han sido propuestas para la
realización de ordenadores cuánticos.
Reflexión
Todavía es un
misterio para mí entender porque cuando acabé la carrera no era consciente de
los numerosos atractivos de la física de la materia condensada. Quizás es una
disciplina todavía joven. En la física de la materia condensada se encuentran
cuestiones fundamentales y misterios sin resolver, la posibilidad de crear
nuevos materiales, realizar un variadísimo espectro de experimentos, crear
dispositivos útiles para nuestro día a día y soluciones que nos ayuden a los
retos a los que se enfrenta la humanidad. Os animo a que forméis parte de esta
gran aventura.
Referencias:
[1]
Elena Bascones, Maria José Calderón y Belén Valenzuela, Web para la enseñanzade la Superconductividad
[2]
“Materia Condensada”, Web GEFES
Belén Valenzuela Requena
Doctora
en Ciencias Físicas
Científica Titular del
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC
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Que coisa mais linda este seu texto!
ResponderEliminarHermoso e inspirador, soy estudiante de Ciencia e Ingeniería en Materiales y no conocía este excitante campo.
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