Físicos utilizan la teoría de cuerdas para explicar un comportamiento misterioso de los superconductores

Los físicos están divididos sobre si la teoría de cuerdas es una teoría del todo factible, pero muchos están de acuerdo en que ofrece una nueva forma de observar fenómenos físicos que de otra manera son difíciles de describir. En la última década, los físicos han utilizado la teoría de cuerdas para construir una conexión entre la mecánica cuántica y la gravitacional, conocida como dualidad “gauge/gravedad”.

Físicos del MIT, liderados por Hong Liu y John McGreevy, han utilizado esa conexión para describir un fenómeno físico específico -el comportamiento de un tipo de superconductor de alta temperatura, o un material que conduce la electricidad sin oponer resistencia. La investigación, publicada en la edición online de Science el 5 de agosto, es una de las primeras que muestra que la dualidad gauge/gravedad puede arrojar luz sobre el extraño comportamiento físico del material superconductor.

Imán levitando sobre un cuprate

Imán levitando sobre un cuprate. Wikipedia.

Hasta ahora, el equipo ha descrito unos pocos aspectos del comportamiento de un tipo de material superconductor llamado cuprate. Sin embargo, los investigadores esperan que su trabajo lleve a teorías más generales que describan otros materiales y finalmente predigan su comportamiento. “Ese es el objetivo teórico del proyecto, y aun no hemos conseguido alcanzarlo”, comentó Liu.

En 1986, los físicos descubrieron que los cuprates (compuestos cerámicos que contienen cobre) pueden superconducir a temperaturas relativamente altas (hasta 135 K).

A nivel atómico, los cuprates están clasificados como un “sistema de muchos cuerpos” -esencialmente es un conjunto grande de electrones que interactúan los unos con los otros. Estos sistemas suelen describirse utilizando la mecánica cuántica. Sin embargo, hasta ahora, los físicos han encontrado dificultades a la hora de describir los cuprates, porque su comportamiento es muy diferente al de otros materiales. Comprender este comportamiento podría ayudar a los físicos a encontrar nuevos materiales que superconduzcan a temperaturas incluso mayores. Estos nuevos materiales tendrían, potencialmente, aplicaciones ilimitadas.

Al contrario que la mayoría de los materiales, los cuprates no obedecen las leyes de Fermi, un conjunto de principios de la mecánica cuántica que gobiernan el comportamiento microscópico a temperaturas muy bajas (cercanas al cero absoluto). En vez de eso, los cuprates son superconductores. Justo por encima de la temperatura a la que empiezan a superconducir, entran en un estado llamado estado “strange metal” (lo llamaré “metal extraño” a falta de traducción).

En este estudio, los investigadores se centraron en dos propiedades que distinguen los metales extraños cuprates de los líquidos Fermi. En los líquidos Fermi ordinarios, la resistividad eléctrica y la velocidad a la que los electrones se desvían por interacciones con otros electrones son proporcionales a la temperatura al cuadrado. Sin embargo, en los cuprates (y otros superconductores que no son líquidos Fermi), esos dos parámetros son proporcionales a la temperatura. “La verdad es que no hay una teoría que explique eso”, comentó Liu.

Utilizando la dualidad gauge/gravedad -la conexión entre la mecánica cuántica y la gravitacional- el equipo del MIT identificó un sistema que tiene las mismas extrañas propiedades que los “metales extraños”, pero podría ser explicado por la mecánica gravitacional. En este caso, el modelo que utilizaron fue un sistema gravitacional con un agujero negro. “Es una abstracción matemática que esperamos que arroje luz sobre el sistema real”, aseguró Liu. En su modelo, pueden estudiar el comportamiento a alta y baja energía (determinado por la relación entre energía de excitación de un único electrón y la energía media de un electrón en el sistema), y resulta que a baja energía, el modelo del agujero negro da muchas de las propiedades no habituales que se ven en los líquidos que no son de Fermi como los cuprates.

Por ejemplo, en ambos sistemas, cuando un electrón con la energía más baja posible es excitado (por un fotón u otra partícula), la interacción resultante entre el electrón y el agujero que deja tras de sí no puede ser descrita como una cuasipartícula (como ocurre con los metales ordinarios), porque la excitación del electrón decae muy rápidamente. Además, la resistencia eléctrica de los sistemas de agujero negro es directamente proporcional a la temperatura -al igual que en los cuprates.

La dualidad gauge/gravedad nos da un “mapa” que correlaciona ciertas características del modelo de agujero negro con las características correspondientes de los metales extraños. Por lo tanto, una vez que los físicos calcularon las características del modelo, utilizando la relatividad general, esos valores pudieron ser traducidos a sus valores correspondientes del sistema del “metal extraño”. Por ejemplo, el valor de un campo electrmagnético en el sistema gravitacional podría corresponder con la densidad de los electrones en el sistema cuántico.

Los físicos habían utilizado la dualidad gauge/gravedad para describir algunas características del plasma de quarks-gluones, la “sopa caliente” de partículas elementales que existió en las primeras millonésimas de segundo después del Big Bang. Sin embargo, esta es la primera vez que ha sido utilizado para entender mejor un tipo de materia condensada (los sólidos y los líquidos son materia condensada).

El equipo del MIT cree que el enfoque podría arrojar luz sobre un grupo de extraños compuestos metálicos conocidos como los metales pesados fermion, cuyos electrones se comportan como si sus masas fuesen entre 100 y 1000 veces mayores que las de los metales ordinarios. También muestran algunos de los comportamientos de los líquidos que no son de Fermi en la fase de “metal extraño” de los cuprates.

Este artículo ha sido traducido de Physorg y publicado bajo licencia CC by-sa
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4 Responses to Físicos utilizan la teoría de cuerdas para explicar un comportamiento misterioso de los superconductores

  1. Jesus says:

    He modificado la entrada original, ya que me he enterado gracias a los comentarios de menéame que “gauge” no se traduce. Gracias MiGUi.

    Siento equivocarme con algún tecnicismo de vez en cuando, pero a veces son difíciles de encontrar. De todas formas, siempre intento equivocarme lo menos posible.

  2. yep says:

    gracias por compartirlo y traducirlo ! xDD

  3. Alonso says:

    excelente aporte, no conocia tu blog pero ya esta en mis favoritos!

    muchas gracias por tu labor inestimable

  4. Luis Dominguez says:

    Buenisimo no sabia de ese metal Cuprate

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