¿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.

Dinosaurios depredadores del Cretácico en el Sáhara

En la tierra hay pocos lugares más inhóspitos para la vida que el completamente seco desierto del Sáhara. Pero, no siempre fue así. Hace 100 millones de años, a mediado del periodo conocido como Cretácico, un enorme río atravesaba la región desde Egipto hasta Marruecos.

El mundo entero en ese entonces era muy diferente. Los continentes aún no habían ocupado su presente posición. Las temperaturas extremas eran algo común y las tormentas feroces hacían la vida impredecible. Los dinosaurios prosperaban sobre tierra. Los pterosaurios sobrevolaban los cielos y gigantescos reptiles marinos y tiburones nadaban en los cálidos mares. Mamíferos pequeños, nuestros ancestros, vivían literalmente en la sombras de estas criaturas extraordinarias, en este mundo de predadores enormes.

El Río de Gigantes como algunos denominan esta región que es hoy África del Norte era particularmente peligrosa. En muchos ecosistemas hay soledad en la cima de la cadena trófica. Normalmente no hay presas suficiente para sostener muchos predadores. Sin embargo, una increíble variedad de presa acuática en el ecosistema marino pudo haber permitido la coexistencia de una gran y diversa población de superpredadores.

Sabemos esto gracias a la abundancia de fosiles que encontramos en esa area llamado la Fauna Kem Kem Muchos de los depredadores que descubrimos tenían cabezas y cuerpos que los hacían excepcionalmente aptos para la caza de diferentes tipos y tamaños de presa acuática. Esto permitió que muchos depredadores Kem Kem obtuvieran una gran ventaja de la abundancia de comida en este medio: el pescado. Esto les permitió evitar la competición directa con los depredadores persiguiendo animales sobre la tierra.

Especies de presa en el río tenían que hacer frente a ataques de todas partes incluso desde el cielo. Reptiles voladores dominaban los cielos Alanqa Saharica tenía una envergadura de hasta 9 m y una mandíbula larga y delgada que le ayudaba pillar pescados y pequeños animales terrestres. Por lo menos siete diferentes tipos de  predadores similar al cocodrilo patrullaban la vías navegables incluyendo el aproximadamente 10 m de largo elosuchus y muchas especies de dinosaurios carnívoros del tamaño del t-rex llamados Theropods vivían juntas.

En el Río de Gigantes, el spinosarus era el rey. Con 15 m de largo este dinosaurio era aún más largo que el t-rex con piernas traseras cortas y musculosas, una cola flexible y pies anchos. Con una vela de 2 m de alto que advertía a otras criaturas de su tremendo tamaño e incluso pudo haber sido útil para atraer a una pareja. La mandíbula larga y delgada del Spinosaurus tenía dientes cónicos, perfectos para rápidamente atrapar presas acuáticas resbaladizas. Este superpredador, al igual que su ecosistema es único en la historia de la vida sobre el planeta. Todo lo que resta de estos predadores feroces son sus fósiles.

Hace aproximadamente 93 millones de año, el nivel del mar subió sumergiendo la región Kem Kem en un mar de poca profundidad. Decenas de millones de años más tarde, un impacto de asteroide erupciones volcanicas y cambios asociado con el clima extinguió a los dinosaurios, ptesaurs y  muchos otros grupos de animales y plantas incluyendo su ecosistema único. La extinción masiva dio pie al ascenso de nuevas aves, mamiferos más grandes y finalmente, nosotros.