El calor destruye todo orden. Excepto en este caso especial.

Como
Gustó

Fecha:

La luz del sol derrite los copos de nieve. El fuego convierte los troncos en hollín y humo. Un horno caliente hace que un imán pierda su atracción. Los físicos saben, por innumerables ejemplos, que si se aumenta la temperatura lo suficiente, las estructuras y los patrones se descomponen.

Ahora, sin embargo, han preparado una sorprendente excepción. En una serie de resultados a lo largo de los últimos años, los investigadores han demostrado que una sustancia idealizada que se asemeja a dos imanes entrelazados puede, en teoría, mantener un patrón ordenado sin importar cuán caliente se ponga. El descubrimiento podría influir en la cosmología o afectar la búsqueda para llevar los fenómenos cuánticos a temperatura ambiente.

Varios físicos expresaron sorpresa y alegría por el hecho de que tal efecto sea posible, aunque sólo sea en teoría.

“Simplemente te golpea en la cara porque no es lo que esperas”, dijo Fabián Rennecke, investigador del Instituto de Física Teórica de Giessen (Alemania), que no participó en el trabajo.

“Estoy bastante intrigado y estoy pensando cómo encontrar una realización concreta de este marco”, dijo Jörg Schmalian, físico del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania).

Encender el calor

El descubrimiento surgió a raíz de una pregunta del público en una conferencia en la Universidad Hebrea de Jerusalén en 2019. Zohar Komargodski, un físico visitante de la Universidad Stony Brook, había comentado que cualquier forma de orden —como el espaciamiento regular de los átomos en un sólido o la alineación de los átomos en un imán— inevitablemente se descompone a temperaturas suficientemente altas. Un miembro de la audiencia, Eliezer Rabinovici de la Universidad Hebrea, le preguntó a Komargodski si estaba seguro de que esto era cierto. Después de la conversación, los dos comenzaron a colaborar, junto con otros colegas.

No fueron los primeros físicos en preguntárselo. En la década de 1950, Isaak Pomeranchuk había calculado que calentar ligeramente los átomos de helio-3 líquido superenfriado haría que se congelaran. Un cristal conocido como sal de Rochelle, que se utiliza como laxante, cambia a una estructura más ordenada a temperaturas más cálidas. Curiosidades como estas motivaron al físico y futuro premio Nobel Steven Weinberg a desarrollar Una teoría cuántica idealizada En los años 1970 se produjo un cambio de orden resistente al calor, pero tanto en el helio líquido como en la sal de Rochelle, un mayor calentamiento destruye el orden y la teoría de Weinberg también falló por encima de cierta temperatura.

¿Era posible que un patrón persistiera para siempre, sin importar cuán caliente se pusiera? Komargodski, Rabinovici y sus colaboradores se propusieron averiguarlo.

Orden a prueba de calor

Los físicos se centraron en el magnetismo.

Imagínese un conjunto de átomos dispuestos en una cuadrícula cuadrada. Cada átomo actúa como un mini imán con un polo norte que apunta hacia arriba o hacia abajo.

Mark Belan/Revista Quanta

Si los átomos se alinean siguiendo algún patrón (todos apuntando en la misma dirección, por ejemplo), el material tiene orden magnético.

Imaginemos que colocamos esta rejilla directamente sobre una segunda rejilla atómica. Estos nuevos átomos pueden oscilar libremente y apuntar en cualquier dirección, en lugar de solo hacia arriba o hacia abajo. Los átomos cercanos interactuarán y las ondulaciones en una rejilla desencadenarán ondulaciones en la otra.

Ahora aleje la imagen hasta que las líneas de la cuadrícula desaparezcan y el sistema se convierta en una lámina lisa: un campo cuántico. Los átomos han desaparecido, pero el campo todavía tiene dos flechas magnéticas en cada punto: una que apunta hacia arriba o hacia abajo y otra que apunta en cualquier dirección.

Los investigadores se dieron cuenta de que este tipo de campo idealizado podría mantener el orden magnético a cualquier temperatura.

En condiciones frías, las flechas arriba y abajo se empujan entre sí para alinearse (todas hacia arriba, por ejemplo) mientras que las flechas que giran libremente apuntan en direcciones aleatorias. A medida que aumenta la temperatura, uno esperaría que la energía térmica comenzara a voltear todas las flechas violentamente, borrando cualquier alineación. Pero no lo hace. Las flechas libres giran más, estabilizando el orden magnético en las flechas arriba y abajo. Y esta disposición sobrevive incluso cuando la temperatura aumenta más por toda la eternidad. El orden magnético nunca se desvanece.

Una salvedad es que el truco parece funcionar mejor cuando las flechas que giran libremente tienen mucha libertad. Komargodski imagina flechas que pueden apuntar en cualquier dirección en un espacio abstracto de cientos de dimensiones. Sin embargo, no es necesario que sean direcciones literales en el espacio real. Representan todas las formas en que el campo puede variar matemáticamente de un punto a otro.

En 2020, Komargodski y colaboradores calculado que el magnetismo perdurará en este sistema hasta temperaturas infinitas, pero sus cálculos se basaban en el supuesto de que las probabilidades no necesitaban sumar exactamente el 100%, una imposibilidad física y lógica.

Abandonaron la búsqueda de una prueba más sólida hasta este otoño, cuando un equipo de físicos europeos —Michael Scherer, Junchen Rong y Bilal Hawashin— avanzó en el caso. Restablecieron probabilidades del 100% (al precio de ignorar ciertas interacciones magnéticas leves) y descubrieron que El orden persistió para flechas que giran a través de tan sólo 15 dimensiones abstractas. Su trabajo inspiró a Komargodski y a un nuevo colaborador, Fedor Popov, a volver al problema y finalmente encontrar una solución. Prueba rigurosa del orden indisoluble que supera todas las deficiencias anteriores. Publicaron una versión preliminar de un artículo que describe el trabajo en diciembre y pronto lo enviarán para su publicación.

“Podemos decir con seguridad que esto es algo que la teoría cuántica de campos logra”, dijo Scherer, quien cree que la nueva prueba se mantendrá. “La pregunta es: ¿qué hacemos con esto ahora?”

Nueva inspiración

Saber que el orden puede sobrevivir teóricamente a cualquier cantidad de calor podría influir en las teorías sobre el nacimiento del universo. La historia típica es que el orden se desarrolló a medida que el infierno del joven universo se enfriaba, pero el trabajo reciente pone de relieve posibilidades más extrañas.

“Ahora tienes en tu caja de herramientas nuevas teorías que puedes utilizar”, dijo francesco sannino, un físico de la Universidad del Sur de Dinamarca que ha trabajado independientemente prueba encontrada de orden resistente al calor en las teorías cuánticas fundamentales.

Esta nueva forma de proteger los patrones cuánticos contra el calor también puede inspirar a los físicos que estudian fenómenos delicados como la superconductividad, una fase en la que la corriente eléctrica fluye sin resistencia. Normalmente, el calor altera el orden cuántico que hace posible la superconductividad, lo que limita sus aplicaciones. Pero tal vez en un material que tome prestadas características clave de la teoría magnética se puedan crear corrientes perfectas que soporten temperaturas crecientes.

"Estoy bastante seguro de que la misma historia se aplicaría a un superconductor", dijo Schmalian.

Artículos relacionados

punto_img

Artículos Recientes

punto_img