La teoría de cuerdas podría resolver el misterio de los metales raros

La teoría de cuerdas, que algunos físicos esperan pueda ser capaz de unificar la gravedad y la mecánica cuántica, puede haber encontrado una aplicación en el mundo real. Un tipo de agujero negro predicho por la teoría puede ayudar a explicar las propiedades de una misteriosa clase de materiales llamados “metales raros”.

La resistencia eléctrica de los metales aumenta linealmente con la temperatura el cuadrado de la temperatura  en metales normales. También tienen otras excitaciones de energía que puede ser consideradas especialmente como  partículas de corta vida.

Los metales extraños son superconductores de alta temperatura,  y no ofrecen resistencia eléctrica por debajo de una temperatura crítica que se define generalmente por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 ° C). Sus propiedades han desconcertado a los físicos que se ocupan de la materia condensada durante más de 20 años, porque no pueden ser explicados por el modelo de líquidos propuesto por Fermi, donde si tienen cabida las propiedades de los metales normales.

En 2003, el físico de materia condensada Subir Sachdev, de la Universidad de Harvard, en Cambridge, Massachusetts, y un equipo de colegas, presentaron un nuevo modelo llamado Fraccionado de Líquidos de Fermi (FFL), que parecía dar cuenta de algunas de las propiedades de los metales extraños, incluyendo la variación de su resistencia con la temperatura. A diferencia del modelo estándar de líquidos de Fermi, los espins  mecánico cuánticos de algunos electrones en el material están unidos entre sí en un FFL.

Ahora, en un artículo publicado en Physical Review Lettersel 4 de octubre, Sachdev muestra que las características propuestas en el modelo FFL coinciden con los de un tipo de agujero negro predicho en la teoría de cuerdas. “Todavía estamos muy lejos de decir que la teoría de cuerdas explica el comportamiento de la materia extraña, pero tenemos esperanza de ello“, dice Sachdev. ”Es muy emocionante porque es una perspectiva completamente nueva.”Añade que ha estado aprendiendo la teoría de cuerdas a una velocidad vertiginosa.

El resultado de Sachdev, que cuenta con la aportación del trabajo del físico teórico John McGreevy del MIT y sus colegas, quien ya en 2009 comenzó a aplicar una conjetura a la teoría de cuerdas conocida como la correspondencia AdS / CFT a los metales extraños. La correspondencia AdS / CFT establece una equivalencia matemática entre los sistemas cuánticos y los objetos gravitacionales. McGreevy admite que los sistemas cuánticos que él y sus colegas estudiaron eran muy abstractos, porque tenían propiedades remarcables de forma continua en el espacio, en lugar de variar de un paso a otro, la manera cuántica.

Sachdev ha creado un modelo más realista, dice McGreevy, mediante la aplicación de un objeto de gravedad, una especie de agujero negro, a un sistema cuántico con propiedades que varían por etapas a lo largo de una red, al igual que en la estructura reticular de metales extraños. “Todavía no es un modelo de un material real, pero representa un progreso en esa dirección”,asegura.

No es la primera vez que la teoría de cuerdas se ha aplicado a un problema de física de materia condensada. En 2004, Pavel Kovtun, ahora en la Universidad Victoria en British Columbia, Canadá, y sus colegas utilizaron la teoría de cuerdas para describir una sopa de partículas fundamentales llamada plasma de quark-gluón creado en el acelerador RHIC en el Brookhaven National Laboratory en Upton , Nueva York. Pero eso se ha considerado siempre un ejemplo bastante aislado, y otros intentos de aplicar la correspondencia AdS / CFT a sistemas de materia condensada como superconductores  no logran conectar con un modelo realista, dice Joe Polchinski,  teórico de cuerdas de la Universidad de California , en Santa Bárbara.

La esperanza es que los trucos de la teoría de cuerdas se puedan utilizar ahora para avanzar en la mejora del modelo FFL. Uno de los aspectos problemáticos es la predicción de un estado de la materia que todavía tiene un cierto nivel de orden en el cero absoluto (0 grados Kelvin). Esto viola la tercera ley de la termodinámica, que aplicado al modelo FFL, dice que  la entropía debe tender a cero cuando el sistema se enfría a cero absoluto. Sachdev dice que él siempre consideró esto como una deficiencia en su teoría, pero otros físicos consideraron que en su lugar podría estar diciendo algo profundo acerca de los materiales reales. ”Nunca supimos si era un error o una característica”, dice Polchinski.

En su último trabajo, Sachdev muestra que la versión de la teoría de cuerdas del modelo FFL viola, además, la tercera ley de la termodinámica en el cero absoluto. La aparición de un mismo problema en un marco matemático totalmente diferente sugiere que está apuntando a algo en el mundo real, asevera Polchinski. Sachdev dice que será necesario más trabajo para establecer eso como una certeza.

McGreevy sugiere que la teoría señala su propia inestabilidad, por lo que un material real se convertirá en otra fase a una temperatura superior a 0 K. En un artículo de comentario sobre el artículo de Sachdev, McGreevy dice que se sabe que los superconductores de alta temperatura cambian de comportamiento de extraño metal superconductor a medida que se enfrían y así evitan entrar en el estado de entropía cero.

Incluso si la teoría de cuerdas tiene éxito en ayudar a los físicos de la materia condensada a desentrañar el misterio de los metales extraños, no necesariamente significa que la teoría de cuerdas sea una descripción correcta de las partículas fundamentales y la gravedad. Sin embargo, eso significará que la teoría de cuerdas ha sido útil para algo. ”Esta es una frontera importante”, dice McGreevy.

Autor: Eugenie Samuel Reich

Enlace original: String theory tackles strange metals