sábado, 8 de septiembre de 2018

¿Qué es la materia cuántica topológica?


¿Qué sucedería si la electricidad pudiera viajar para siempre sin disminuir? ¿Y si un computador pudiera procesar más rápido con exactitud perfecta? ¿Qué tecnologías podrían construir esas habilidades? Podríamos descubrirlo gracias al trabajo de los tres científicos que ganaron el Premio Nobel de Física en el 2016.

David Thouless, Duncan Haldane, y Michael Kosterlitz ganaron el premio por descubrir que incluso materia microscópica a la escala más pequeña puede presentar propiedades macroscópicas y fases topológicas. Pero, ¿qué significa eso?

Primero, la topología es una rama de las matemáticas que se enfoca en las propiedades fundamentales de los objetos. Las propiedades topológicas no cambian al expandir o doblar el objeto. El objeto tiene que ser rasgado o unido a nuevos lugares. Una dona y una taza de café son lo mismo para un topólogo porque ambas tienen un agujero. Tú podrías convertir una dona en una taza de café y aún tendrías solo un agujero. Esa propiedad topológica es constante. Por otro lado,  un pretzel tiene tres agujeros. No hay pequeños cambios que puedan convertir una dona en un pretzel. Tú tendrías que abrir dos agujeros nuevos.

Por mucho tiempo no estuvo claro si la topología era útil para describir los comportamientos de las partículas subatómicas. Eso sucede porque las partículas, como electrones y fotones, son objeto de las extrañas leyes de la física cuántica, que incluye bastante incertidumbre no observada a la escala de las tazas de café.

Pero los Premio Nobel descubrieron que las propiedades topológicas existen a nivel cuántico. Y ese descubrimiento puede revolucionar la ciencia de los materiales, la ingeniería electrónica, y las ciencias de la computación. Porque estas propiedades generan una estabilidad sorprendente y características extraordinarias para algunas fases exóticas de la materia en el delicado mundo cuántico.

Un ejemplo es el aislador topológico. Imagina una capa de electrones. Si un campo magnético fuerte pasa a través de ellos, cada electrón comenzará a moverse en círculos, lo que se llama una órbita cerrada. Como los electrones están atrapados en estos círculos, no conducen electricidad. Pero en el borde del material, las orbitas están abiertas, conectadas y apuntando en la misma dirección. Así, los electrones pueden saltar de una órbita a otra y viajar por todo el borde.

Esto significa que el material conduce electricidad alrededor del borde pero no en la mitad. Aquí es donde aparece la topología. La conductividad no se ve afectada por pequeños cambios en el material, como impurezas o imperfecciones. De la misma manera que el agujero en la taza de café no cambia al estirarlo. El borde del aislador topológico transporta electrones perfectamente: ningún electrón viaja al contrario, no hay pérdida de energía como calor, e incluso puede controlarse el número de caminos conductores. Podría crearse la electrónica del futuro para usar esta autopista perfecta de electrones.

Las propiedades topológicas de partículas subatómicas también pueden transformar la computación cuántica. Los computadores cuánticos aprovechan que las partículas subatómicas pueden estar en diferentes estados al mismo tiempo para guardar información en algo llamado "qubits". Los qubits pueden solucionar problemas exponencialmente más rápido que los computadores clásicos digitales. El problema es que estos datos son tan delicados que pueden ser destruidos al interactuar con el ambiente.

Pero en alguna fase topológica exótica, las partículas subatómicas pueden ser protegidas. En otras palabras, los qubits creados no pueden cambiar con perturbaciones locales o pequeñas. Los qubits topológicos serían más estables llevando a cálculos más exactos y mejores computadores cuánticos.

La topología fue originalmente estudiada como una rama de la matemática abstracta. Gracias al trabajo pionero de  Thouless, Haldane, and Kosterlitz, ahora sabemos que puede servir para entender los acertijos de la naturaleza y para revolucionar el futuro de las tecnologías.

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