Investigación UNAB: entendiendo las fases topológicas de la materia
*El Estudio, liderado por el Dr. Mauro Cambiaso de la Facultad de Ciencias Exactas UNAB, se enfoca en estudiar las propiedades de los aislantes topológicos, materiales que en su interior se comportan como aislantes, pero en su superficie presentan estados de conducción exóticos.
* En estos links puedes conocer sus últimas publicaciones. Physical Review D (1) , Physical Review D (2) y Europhysics Letters.
Hasta hace unos 30 años, aproximadamente, la manera tradicional de conocer las fases de la materia era un hecho indiscutible para la ciencia. Sin embargo, fue a partir del descubrimiento de las denominadas fases topológicas, que se abrió un nuevo campo de estudio para la física.
“El paradigma usual para entender las fases de la materia es que distintas fases corresponden a distintos niveles de simetría. Por ejemplo el hielo y el agua son las fases sólidas y líquidas del agua (H2O), respectivamente. En el líquido las moléculas tienen orientaciones aleatorias, todo luce igual (de desordenado) en todas direcciones y decimos que hay isotropía. En el caso del hielo, en cambio, esa isotropía se ve parcialmente rota por el congelamiento, quizás el cristal líquido (LCD) es un mejor ejemplo para la analogía, pero más elaborado” explica el Dr. Mauro Cambiaso, investigador de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello.
¿Qué son las fases topológicas?
Son fases de la materia que determinan distintas propiedades físicas de un sistema. “Sin embargo, no están determinadas por la simetría que las caracteriza, sino por la topología del espacio de los estados cuánticos de los muchos átomos que conforman el material.
Los aislantes topológicos (materiales que poseen fases topológicas no-triviales) presentan la peculiaridad de ser aislantes en el interior y conductores en la superficie, y no obedecen al paradigma usual para comprender las fases de la materia, ya que se descubrió que distintas fases de estos materiales poseían las mismas simetrías, “pero en lo que sí difieren esas fases es en ciertas propiedades topológicas” complementa el físico.
¿Cómo entender los aislantes topológicos a partir de esta figura?
Según lo explica el investigador:
“La topología estudia aquellas propiedades que permanecen invariantes ante deformaciones suaves de los objetos. Así, decimos que una taza tiene la misma topología que una “dona”. Pero para pasar de una esfera a una dona, debemos perforar la esfera. Los estados de conducción en el borde de un aislante topológico se explican por la topología, no de su forma, sino de un espacio más abstracto. Producto de ésto, dichos estados son robustos ante deformaciones suaves en ese espacio topológico, pues para alterar dichos estados hay que pasar de una fase topológica a otra. El Premio Nobel de Física 2016 fue precisamente por el descubrimiento de las fases topológicas de la materia”
Es en ese contexto que el Dr. Cambiaso, junto al Dr. Luis F. Urrutia y Dr. Alberto Martín-Ruiz, ambos del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM (México), aporta a este novedoso campo de estudio para la física:
“Lo que hemos hecho ha sido aplicar técnicas propias de la teoría de campos clásicos y cuánticos (como aquellas empleadas para entender el campo electromagnético y/o las partículas elementales) para estudiar cómo responden los aislantes topológicos ante distintos tipos de estímulos electromagnéticos” señala sobre sus últimos estudios.
Aplicaciones
Una de las áreas de aplicación de estos materiales es la computación cuántica, entendida como el proceso de transmisión de información cuántica que implica, en términos abstractos, el preparar un estado de un sistema cuántico, luego hacerlo evolucionar y, posteriormente, medir el estado seguido a su evolución, todo lo anterior sujeto a las leyes de la mecánica cuántica.
Según el Dr. Cambiaso:
“La computación cuántica tendría increíbles beneficios por sobre la computación clásica pero a su vez presenta un gran desafío: los errores. Que la transmisión de información no tenga errores es crucial. Imagínense un error de tipeo o de cálculo de un computador en el proceso de una transacción electrónica, cuyo resultado es agregar 3 ceros al final del monto del sueldo mensual de un trabajador. O por ejemplo, a todos nos ha pasado que hemos querido abrir un archivo de un pendrive y nos encontramos con un mensaje de error del estilo “Corrupted file...” Para lidiar con eso, en la computación clásica hay un mecanismo de control que básicamente consta en hacer varias copias de la información y comparar con la original. Dicha comparación implica “medir” o leer el sistema en el proceso intermedio entre el input y el output“.
En el caso de la computación cuántica, es justamente ese proceso de lectura intermedia el que puede hacer literalmente “colapsar” el traspaso de información. Luego de dicha medición el sistema cuántico ya no puede seguir evolucionando como lo hubiera hecho si no lo hubiéramos alterado al leerlo, por lo tanto, la información que se transmita no será aquella que queríamos transmitir originalmente.
Decoherencia cuántica
“Así como los errores, también el ruido puede adulterar el proceso de transmisión de información, adulteración que se conoce como decoherencia cuántica. Una alternativa, pero no infalible, es tratar de reducir la contaminación de las fuentes de decoherencia. Los aislantes topológicos pueden hacer una contribución al problema de la decoherencia de una manera muy elegante, dado que la información que se puede almacenar en los grados de libertad topológicos de estos materiales sería “inmune” a las fuentes que típicamente contaminan y producen decoherencia. El motivo de lo anterior es que, en un sentido abstracto, la topología del espacio de momentos que caracteriza la estructura de bandas del aislante topológico y que le otorga sus características de interés, es insensible ante pequeñas perturbaciones locales como las producidas por el ruido y el error. Así, almacenando información en los grados de libertad topológicos del material, la información quedaría “topológicamente” protegida, es “robusta” como dijimos anteriormente y, por lo tanto, libre de decoherencia” finaliza el académico.
Para más información, escribir a [email protected]
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El Dr. Mauro Cambiaso Harb es Licenciado en Física de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Magíster y Doctorado en Ciencias Exactas, mención Física de la misma Casa de Estudios. Investigador Postdoctoral Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México UNAM. Académico del Departamento de Ciencias Físicas de la Universidad Andrés Bello.
Áreas de investigación: Teoría cuántica de campos. Conexiones entre teoría de campos y aislantes topológicos. Simetrías espacio-temporales. Extensiones al Modelo Estándar de Física de Partículas elementales y a la Relatividad General.