El gozo de la materia condensada – Número 97: Maravilla

miTodo el mundo parece estar hablando de los problemas de la física: el libro de Peter Woit Ni siquiera mal, De Lee Smolin El problema con la físicay Sabine Hossenfelder’s Perdido en Matemáticas se me viene a la mente, y han comenzado una conversación más amplia. Pero, ¿está toda la física realmente en problemas, o solo parte de ella? Si realmente lee estos libros, verá que tratan sobre la llamada física “fundamental”. Algunas otras partes de la física funcionan bien, y quiero contarte una. Se llama “física de la materia condensada” y es el estudio de sólidos y líquidos. Vivimos en la edad de oro de la física de la materia condensada.

Pero primero, ¿qué es la física “fundamental”? Es un término complicado. Podría pensar que cualquier desarrollo verdaderamente revolucionario en física cuenta como fundamental. Pero, de hecho, los físicos usan este término de una manera más precisa y estrechamente delimitada. Uno de los objetivos de la física es descubrir algunas leyes que, al menos en principio, podríamos usar para predecir todo lo que se puede predecir sobre el universo físico. La búsqueda de estas leyes es física fundamental.

Todavía se están realizando muchas nuevas físicas alucinantes.

La letra pequeña es crucial. Primero: “en principio”. En principio, podemos usar la física fundamental que conocemos para calcular el punto de ebullición del agua con una precisión inmensa, pero nadie lo ha hecho todavía, porque el cálculo es difícil. Segundo: “todo lo que se puede predecir”. Por lo que podemos decir, la mecánica cuántica dice que hay aleatoriedad inherente en las cosas, lo que hace algunas predicciones. imposible, no solo impracticable, de llevar a cabo con certeza. Y esta aleatoriedad cuántica inherente a veces se amplifica con el tiempo, por un fenómeno llamado caos. Por esta razón, incluso si supiéramos todo sobre el universo ahora, no podríamos predecir el clima con precisión dentro de un año. Entonces, incluso si la física fundamental tuviera éxito a la perfección, estaría lejos de dar la respuesta a todas nuestras preguntas sobre el mundo físico. No obstante, es importante porque nos brinda el marco básico en el que podemos intentar responder a estas preguntas.

As de ahora, la investigación en física fundamental nos ha dado el Modelo Estándar (que busca describir la materia y todas las fuerzas excepto gravedad) y Relatividad General (que describe la gravedad). Estas teorías son tremendamente exitosas, pero sabemos que no son la última palabra. Las grandes preguntas siguen sin respuesta, como la naturaleza de la materia oscura o lo que sea que nos engañe haciéndonos pensar que hay materia oscura. Lamentablemente, el progreso en estas cuestiones ha sido muy lento desde la década de 1990. Afortunadamente, la física fundamental no es toda la física, y hoy en día ya no es la parte más emocionante de la física. Todavía se están realizando muchas nuevas físicas alucinantes. Y mucho de él, aunque de ninguna manera todo, es física de la materia condensada.

Tradicionalmente, el trabajo de la física de la materia condensada era predecir las propiedades de los sólidos y líquidos que se encuentran en la naturaleza. A veces esto puede resultar muy difícil: por ejemplo, calcular el punto de ebullición del agua. Pero ahora sabemos lo suficiente de física fundamental para diseñar nuevos materiales extraños, y luego, en realidad hacer estos materiales y probar sus propiedades con experimentos, probando nuestras teorías sobre cómo deberían funcionar. Aún mejor, estos experimentos a menudo se pueden realizar sobre una mesa. Aquí no hay necesidad de enormes aceleradores de partículas.

Sapolsky_TH-F1

Veamos un ejemplo. Empezaremos por el humilde “hoyo”. Un cristal es una matriz regular de átomos, cada uno con algunos electrones orbitando. Cuando uno de estos electrones se desprende de alguna manera, obtenemos un “agujero”: un átomo al que le falta un electrón. ¡Y este agujero puede moverse como una partícula! Cuando un electrón de algún átomo vecino se mueve para llenar el agujero, el agujero se mueve al átomo vecino. Imagínese una fila de personas con sombreros, excepto uno que tiene la cabeza descubierta: si su vecino les presta su sombrero, la cabeza descubierta se mueve hacia el vecino. Si esto sigue sucediendo, la cabeza descubierta se moverá por la fila de personas. ¡La ausencia de una cosa puede actuar como una cosa!

Al famoso físico Paul Dirac se le ocurrió la idea de los agujeros en 1930. Predijo correctamente que, dado que los electrones tienen carga eléctrica negativa, los agujeros deberían tener carga positiva. Dirac estaba trabajando en física fundamental: esperaba que el protón pudiera explicarse como un agujero. Eso resultó no ser cierto. Los físicos posteriores encontraron otra partícula que podría: el “positrón”. Es como un electrón con carga opuesta. Y así nació la antimateria, el gemelo maligno de la materia ordinaria, con la misma masa pero con la carga opuesta. (Pero esa es otra historia).

Ahora vivimos en la era de la “materia del diseñador”.

En 1931, Werner Heisenberg aplicó la idea de los agujeros a la física de la materia condensada. Se dio cuenta de que, así como los electrones crean una corriente eléctrica a medida que se mueven, también lo hacen los agujeros, pero debido a que están cargados positivamente, ¡su corriente eléctrica va en la otra dirección! Quedó claro que los agujeros transportan corriente eléctrica en algunos de los materiales llamados “semiconductores”: por ejemplo, silicio con un poco de aluminio agregado. Después de muchos desarrollos adicionales, en 1948 el físico William Schockley patentó transistores que usan tanto huecos como electrones para formar una especie de interruptor. Más tarde ganó el Premio Nobel por esto, y ahora se utilizan ampliamente en chips de computadora.

Los agujeros en los semiconductores no son realmente partículas en el sentido de la física fundamental. Son solo una forma conveniente de pensar sobre el movimiento de los electrones. Pero cualquier abstracción suficientemente conveniente adquiere vida propia. Las ecuaciones que describen el comportamiento de los agujeros son como las ecuaciones que describen el comportamiento de las partículas. Entonces, podemos tratar los agujeros. como si son partículas. Ya hemos visto que un agujero está cargado positivamente. Pero debido a que se necesita energía para que un agujero se mueva, un agujero también actúa como si tuviera una masa. Y así sucesivamente: las propiedades que normalmente atribuimos a las partículas también tienen sentido para los agujeros.

Los físicos tienen un nombre para las cosas que actúan como partículas aunque no lo sean: “cuasipartículas”. Hay muchos tipos; los agujeros son solo uno de los más simples. La belleza de las cuasipartículas es que prácticamente las podemos fabricar por encargo, teniendo una gran variedad de propiedades. Como dijo el físico cuántico Michael Nielsen, ahora vivimos en la era de la “materia de diseño”.

Por ejemplo, considere el “excitón”. Dado que un electrón está cargado negativamente y un agujero está cargado positivamente, se atraen entre sí. Y si el agujero es mucho más pesado que el electrón, recuerde que un agujero tiene masa, un electrón puede orbitar un agujero de la misma manera que un electrón orbita un protón en un átomo de hidrógeno. Por lo tanto, forman una especie de átomo artificial llamado excitón. ¡Es una danza fantasmal de presencia y ausencia!

El gozo de la materia condensada - Número 97: Maravilla
LOS OPUESTOS SE ATRAEN: Así es como un excitón, la unión de un “agujero” cargado positivamente y un electrón, se mueve dentro de una red cristalina.Wikipedia

La idea de los excitones se remonta a 1931. Ahora podemos producir excitones en grandes cantidades en ciertos semiconductores y otros materiales. No duran mucho: el electrón vuelve a caer rápidamente en el agujero. A menudo se necesita menos de una mil millonésima de segundo para que esto suceda. Pero es tiempo suficiente para hacer cosas interesantes. Así como dos átomos de hidrógeno pueden unirse y formar una molécula, dos excitones pueden unirse y formar un “biexcitón”. Un excitón puede adherirse a otro agujero y formar un “trión”. Un excitón puede incluso adherirse a un fotón—Una partícula de luz— y forman algo llamado “polaritón”. ¡Es una mezcla de materia y luz!

¿Puedes hacer un gas de átomos artificiales? ¡Sí! A bajas densidades y altas temperaturas, los excitones giran de manera muy similar a los átomos en un gas. ¿Puedes hacer un líquido? Nuevamente, sí: a densidades más altas y temperaturas más frías, los excitones chocan entre sí lo suficiente como para actuar como un líquido. A temperaturas aún más frías, los excitones pueden incluso formar un “superfluido”, con una viscosidad casi nula: si de alguna manera pudieras hacer que se arremolinara, continuaría prácticamente para siempre.

Esto es solo una pequeña muestra de lo que están haciendo los investigadores en física de la materia condensada en estos días. Además de los excitones, están estudiando una serie de otras cuasipartículas. Un “fonón” es una cuasipartícula de sonido formada por vibraciones que se mueven a través de un cristal. Un “magnón” es una cuasipartícula de magnetización: un pulso de electrones en un cristal cuyos espines se han invertido. La lista continúa y se vuelve cada vez más esotérica.

Pero también hay mucho más en el campo que cuasipartículas. Los físicos ahora pueden crear materiales en los que la velocidad de la luz sea mucho más lenta de lo habitual, digamos 40 millas por hora. Incluso pueden crear materiales en los que la luz se mueva como si hubiera dos dimensiones de espacio y dos dimensiones de tiempo, en lugar de las habituales tres dimensiones de espacio y una de tiempo. Normalmente pensamos que el tiempo puede avanzar en una sola dirección, pero en estas sustancias la luz tiene la opción de elegir entre muchas direcciones diferentes y puede “avanzar en el tiempo”. Por otro lado, su movimiento en espacio está confinado a un avión.

En resumen, las posibilidades de la materia condensada están limitadas solo por nuestra imaginación y las leyes fundamentales de la física.

AEn este punto, por lo general aparece algún escéptico y se pregunta si estas cosas son útiles. De hecho, es probable que algunos de estos nuevos materiales útil. De hecho, gran parte de la física de la materia condensada, aunque menos glamorosa que la que acabo de describir, se lleva a cabo precisamente para desarrollar nuevos chips informáticos mejorados, y también tecnologías como la “fotónica”, que utiliza luz en lugar de electrones. Los frutos de la fotónica son omnipresentes, saturan la tecnología moderna, como los televisores de pantalla plana, pero los físicos ahora apuntan a aplicaciones más radicales, como las computadoras que procesan información utilizando la luz.

Entonces, por lo general, aparece algún otro tipo de escéptico y pregunta si la física de la materia condensada es “solo ingeniería”. Por supuesto, la premisa misma de esta pregunta es insultante: ¡la ingeniería no tiene nada de malo! Tratar de construir cosas útiles no solo es importante en sí mismo, es una excelente manera de plantear nuevas preguntas profundas sobre la física. Por ejemplo, todo el campo de la termodinámica y la idea de la entropía surgieron en parte al intentar construir mejores máquinas de vapor. Pero la física de la materia condensada no es solo ingeniería. Gran parte de ella son investigaciones de cielo azul sobre las posibilidades de la materia, como he estado hablando aquí.

En estos días, el campo de la física de la materia condensada está tan lleno de nuevos conocimientos gratificantes como el estudio de partículas elementales o agujeros negros. Y a diferencia de la física fundamental, el progreso en la física de la materia condensada es rápido, en parte porque los experimentos son comparativamente baratos y fáciles, y en parte porque hay más territorio nuevo que explorar.

Así que, cuando veas a alguien lamentando los problemas de la física fundamental, tómatelo en serio, pero no dejes que eso te desanime. Simplemente encuentre un buen artículo sobre física de la materia condensada y léalo. Te animarás de inmediato.

John Baez es profesor de matemáticas en la Universidad de California, Riverside e investigador visitante en el Centro de Tecnologías Cuánticas de Singapur. Escribe en su blog sobre matemáticas, ciencias y cuestiones medioambientales en Azimuth.

Imagen principal: Stef Simmons, UCL Matemáticas y Ciencias Físicas / Flickr

Related Stories

DEJA UNA RESPUESTA

Por favor ingrese su comentario!
Por favor ingrese su nombre aquí