Teorema unifica superfluidos y otros materiales extraños

La materia presenta propiedades extrañas a temperaturas muy bajas. Los superfluidos, por ejemplo, descubiertos en 1937, pueden fluir sin resistencia para siempre, escalan increíblemente por las paredes de un recipiente y gotean al suelo.

En los últimos 100 años, 11 premios Nobel han galardonado a casi un par de docenas de personas por el descubrimiento o la explicación teórica de estos materiales fríos (los superconductores y los condensados ​​de Bose-Einstein, por citar un par de ejemplos); sin embargo, los teóricos no han encontrado una teoría unificadora para estos comportamientos extremos.

En la Universidad de California, Berkeley, el físico Hitoshi Murayama y el estudiante graduado Haruki Watanabe, han descubierto ahora una comunidad entre estos materiales que pueden ser utilizados para predecir o incluso diseñar nuevos materiales que exhiben un comportamiento igualmente inusual. La teoría, publicada en línea el 8 de junio por la revista Physical Review Letters, se aplica por igual a los imanes, cristales, estrellas de neutrones y cuerdas cósmicas.

"Este es un resultado particularmente interesante, porque le concierne a casi todas las áreas de la física, no sólo a la de materia condensada, sino también la astrofísica, la atómica y la física nuclear y la cosmología", indicaba Murayama, profesor de física en UC Berkeley, científico senior en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y director del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo en la Universidad de Tokio. "Estamos reuniendo a todos en un marco teórico único."

El teorema de Watanabe y Murayama ha demostrado estar basado en un concepto de ruptura espontánea de simetría, un fenómeno que se produce a bajas temperaturas y que conduce a un comportamiento extraño. Esto es lo que produce a los superconductores, que permiten a las corrientes eléctricas fluir sin resistencia, o los condensados ​​Bose-Einstein, que tienen una energía tan baja que cada átomo se queda en el mismo estado cuántico.

Al describir la ruptura de simetría en términos de un comportamiento colectivo en el material -representado por los llamados bosones Nambu-Goldstone-, Murayama y Watanabe descubrieron una forma sencilla de clasificar la rareza de los materiales. Bosón es el nombre que se le da a las partículas con espín cero o entero, a diferencia de los fermiones, que tienen el espín semi-entero.

"Una vez que la gente me dice que el sistema comienza con la simetría y termina con ella, y que las rupturas de las simetrías son intercambiables, puedo saber cuántos bosones hay exactamente y si eso lleva a un comportamiento extraño o no", comentaba Murayama. "Lo hemos probado en más de 10 sistemas, y funciona en cada uno de ellos."

Anthony Leggett, de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign, que fue premio Nobel de Física en 2003 por su trabajo pionero sobre los superfluidos, señalaba que, "desde hace tiempo se viene apreciando una importante consecuencia del fenómeno de la ruptura espontánea de la simetría, ya sea en la física de partículas o en la física de la materia condensada, se trata de la existencia de excitaciones colectivas de ondas de larga longitud, conocidas como bosones de Nambu-Goldstone.

"En su artículo, Watanabe y Maruyama, han derivado una bella relación general [...] que implica a los bosones de Nambu Goldstone [...] los cuales reproducen unos resultados relevantes para todos los casos conocidos, y ofrece un marco sencillo para la discusión de cualquier forma actualmente desconocida de ordenar lo que puede ser descubierto en el futuro."

"Sorprendentemente, las consecuencias de la ruptura espontánea de simetría en el espectro de baja energía no ha sido resuelto, en general, hasta el documento de Watanabe y Murayama", escribió Hirosi Ooguri, profesor de física y matemáticas en Caltech. "Espero que haya una amplia gama de aplicaciones para este resultado, desde la física de materia condensada a la cosmología. Se trata de una maravillosa pieza de trabajo de la física matemática."

La simetría ha sido un poderoso concepto en la física durante casi 100 años, permitiendo a los científicos encontrar principios unificadores y construir teorías que describen cómo las partículas y las fuerzas elementales interactúan ahora y en el universo temprano. La forma más simple de simetría es la simetría de rotación de tres dimensiones: una esfera, por ejemplo, parece la misma cuando gira de manera arbitraria en cualquier dirección. Un cilindro, sin embargo, tiene una única simetría rotacional alrededor de su eje.

Algunas interacciones son simétricas respecto al tiempo, es decir, que parecen igual tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Otras guardan la simetría si una partícula es sustituida por su antipartícula.

Cuando la simetría se rompe de forma espontánea, se producen nuevos fenómenos. Tras el Big Bang, el universo se enfrió hasta que su simetría se fracturó espontáneamente, dando lugar al bosón de Higgs ya predicho que está siendo ahora buscado en el Gran Colisionador de Hadrones, en Ginebra, Suiza.

Con los sólidos, líquidos o gases, la simetría hace referencia a la conducta de los espines de los átomos y los electrones. En un material ferromagnético, como hierro o el níquel, la aleatoriedad de los espines de los electrones a altas temperaturas crea una simetría del material en todas las direcciones. Conforme el metal se enfría, sin embargo, los espines de los electrones quedan bloqueados y fuerzan a sus vecinos a bloquearse en la misma dirección, del mismo modo que un imán tiene un gran campo magnético apuntando en una sola dirección.

Los bosones de Nambu-Goldstone tienen un comportamiento coherente colectivo en un material. Las ondas de sonido o fonones, por ejemplo, son una vibración colectiva de los átomos en un cristal. Las ondas de excitación del espín del electrón en un cristal se llaman magnones. Durante el proceso de enfriamiento de un material ferromagnético, se rompen dos simetrías espontáneamente, dejando sólo un bosón de Nambu-Goldstone en el material.

En los condensados ​​Bose-Einstein, por ejemplo, "se empieza con un fino gas de átomos, enfriado a temperaturas muy bajas (nanokelvins), y una vez que llegue a esa temperatura, los átomos tienden a adherirse entre sí de manera muy extraña", explicaba Murayama. "Tienen ese modo de vibración divertida que le da un bosón de Nambu-Goldstone, y el gas de átomos comienza a convertirse en superfluido de nuevo, de tal manera que puede fluir sin viscosidad para siempre."

Por otro lado, los cristales sólidos, independientemente de sus composiciones o estructuras, tienen tres bosones de Nambu-Goldstone, equivalentes a los tres modos (fonones) de vibración.

"En cuanto a lo que resulta de este bosón de Nambu-Goldstone, viene dado por la cantidad que haya de ellos y cómo se comportan, esto es lo que decide si algo se convierte en un superfluido o no, y de cómo las cosas dependen de la temperatura", añadió Murayama. "Todas estas propiedades provienen de nuestra manera de entender el bosón de Nambu-Goldstone."

Yoichiro Nambu compartió el Premio Nobel 2008 de Física, en parte por explicar que en algunos sistemas, el número de rupturas de simetrías iguala al número de bosones Nambu-Goldstone.

El nuevo teorema se expande las ideas de Nambu hacia casos más generales, adujo Watanabe, lo que demuestra que en los materiales raros, el número de bosones Nambu-Goldstone es menor que el número de rupturas simétricas.

"Lo que Nambu demostró era cierto, pero sólo en casos especiales aplicables a la física de partículas", continuó. "Ahora tenemos una explicación general para toda la física, sin excepciones."

Una de las características de los estados con un bajo número de bosones Nambu-Goldstone es que se requiere muy poca energía para perturbar el sistema. Los líquidos fluyen libremente en los superfluidos, y los átomos vibran siempre en los condensados ​​Bose-Einstein, con un ligero empujón.

Como estudiante de la Universidad de Tokio, Watanabe ha propuesto un teorema para explicar las propiedades de los materiales mediante bosones de Nambu-Goldstone, pero no pudo demostrarlo hasta que llegó a la Universidad de Berkeley el año pasado y habló con Murayama. Juntos, convinieron hacer una prueba de dos semanas de lo que ellos llaman una teoría unificada de bosones de Nambu-Goldstone.

"Fueron dos semanas muy emocionantes", comentó Watanabe.