La visibilidad de los fenómenos cuánticos

Este año, el Nobel de Física premia a Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y Anthony Leggett por "sus contribuciones pioneras a las teorías de los superconductores y de los superfluidos". En la información dada por la Fundación Nobel, se ligan los dos supersistemas en una característica común: en ambos se hacen visible a escala macroscópica fenómenos puramente cuánticos.

La física cuántica compendia el comportamiento del mundo a escala atómica mediante ecuaciones que emergen de unas leyes físicas, distintas de las que parecen gobernar nuestro mundo macroscópico. El viaje reduccionista que ha seguido la humanidad en su análisis de la naturaleza desde la Grecia clásica, se ha visto culminado en el siglo XX con ecuaciones que describen el comportamiento de los ingredientes más elementales de la materia. Aunque incompletas todavía, muchos ven en ellas lo que podría denominarse La Teoría de Todo. Y si por Todo entendemos nuestro mundo inmediato, puede considerarse que la teoría se resume en un par de ecuaciones.

Al mundo cuántico a nuestro alcance le gusta el frío para mostrar sus encantos

Nos podemos preguntar: ¿es posible explicar lo que ocurre en nuestro mundo macroscópico con estas ecuaciones? Sabemos con certeza que si manejamos muy pocas partículas, menos de 10 por dar una cifra, las ecuaciones se pueden resolver exactamente utilizando ordenadores potentes, pero cuando sobrepasamos este modesto número hay que recurrir a aproximaciones y simplificaciones drásticas para obtener un resultado útil. Y si pensamos que en un simple granito de arena hay muchos millones de billones de átomos, la respuesta a la pregunta es clara.

Hay, sin embargo, una corriente de pensamiento entre los científicos, que se resume en la expresión Más, es diferente. Esto es, la naturaleza se rige también, y se manifiesta a escala macroscópica, por principios organizativos, en los que el científico se puede basar para predecir fenómenos muy sutiles del funcionamiento del mundo.

La búsqueda por los físicos de esos principios organizativos, la sagacidad para descubrir su funcionamiento en fenómenos tan aparentemente alejados como los que se produjeron en el Big Bang y los que se pueden inducir en un frasco de helio 3 líquido, ha brindado momentos apasionantes a la ciencia del siglo XX. Este año el Nobel de Física se ha otorgado a tres científicos que han contribuido a entender mediante esta aproximación a la naturaleza los fenómenos cuánticos macroscópicos de la superconductividad y la superfluidez del helio 3. (El helio 3 se obtiene como subproducto en algunos reactores nucleares y el elemento natural, el helio 4, abunda en los yacimientos de gas natural)

Vitali Ginzburg nació en Rusia en 1916 , cinco años después de que Heike Kamerlingh Onnes descubriese la superconductividad en el mercurio en su laboratorio de Leiden (Holanda). Onnes consiguió licuar el helio 4 en 1908, abriendo así a la experimentación el campo de las bajas temperaturas. Cuando Ginzburg comienza su carrera científica, tras graduarse en 1939, hacía seis años que Meissner había descubierto la propiedad más singular del estado superconductor: la expulsión del interior de un material, al entrar en dicho estado, de campos magnéticos externos. En 1938, Kapitsa, en la URSS, y, Allen y Misener en Canadá, descubrieron simultáneamente la pérdida de la viscosidad del helio 4 líquido y lo denominaron superfluido.

En la escuela soviética destacaba, en aquellos tiempos difíciles, la prestigiosa figura de Lev D. Landau, que fue encarcelado por el régimen de Stalin y pasó un año en prisión hasta que Kapitsa, que tenía notable influencia sobre el dictador, consiguió su libertad. Según cuenta Ginzburg, Kapitsa deseaba contar con la ayuda de Landau para hacer la teoría de la superfluidez.

Ginzburg conocía de primera mano la física que Landau había desarrollado. También conocía bien el fenómeno de la superconductividad. Con ese bagaje se puso a construir una teoría de la transición de fase superconductora, que hoy denominamos teoría de Ginzburg-Landau (TGL), que proporciona dos ecuaciones que han servido, y siguen sirviendo, para interpretar muchos resultados y hacer importantes predicciones.

Una de las predicciones más notables, fue la realizada por el físico teórico Alexei Abrikosov, nacido en la URSS en 1928. Volviendo atrás en el tiempo, cuando Kammerling Onnes descubrió que se podía tener resistencia cero, investigó todos los metales que tenía a su alcance, entre ellos el plomo, que, según observó, perdía la resistencia a 7,2 grados Kelvin. Soñó entonces en fabricar bobinas, para producir altos campos magnéticos, con hilos de plomo. Pronto comprobó, desolado, que sus bobinas dejaban de superconducir para valores muy exiguos del campo magnético. El campo que ellas creaban destruía pronto la superconductividad. Abrikosov abrió el camino para hacer realidad el sueño de Onnes. Conocía experimentos en los que la TGL fallaba, y decidió estudiar en detalle lo que resultaba de la teoría en unos límites no estudiados previamente. Llegó a la conclusión de que, en ese caso, cuando se aumentaba el campo magnético, el superconductor, en vez de dejarse inundar de golpe por el campo, perdiendo la superconductividad, se dejaba atravesar por filamentos de campo, distribuidos geométricamente, manteniendo superconductor el volumen no perforado. Todos los filamentos son iguales y cuando el campo aumenta, lo que crece es su número, hasta que para campos magnéticos, normalmente muy elevados, la densidad de estos filamentos, denominados vórtices, es tan grande que la superconductividad no tiene lugar donde sobrevivir.

Hoy sabemos que muchas aleaciones y compuestos e incluso dos elementos, niobio y vanadio, presentan la superconductividad predicha por Abrikosov. Algunos de ellos han mostrado características excepcionales para fabricar bobinas superconductoras.

Al mundo cuántico a nuestro alcance le gusta el frío para mostrar sus encantos. El helio 4 y el helio 3 se hacen líquidos cerca del cero absoluto, y no pasan a sólido al bajar la temperatura a no ser que se aumente la presión a más de 20 atmósferas.

En el estado líquido, los átomos, que son idénticos, no se encuentran localizados en posiciones fijas, lo cual hace que el comportamiento colectivo, siguiendo principios cuánticos fundamentales, dependa drásticamente de una propiedad sutil del átomo individual, su espín. Éste es un atributo puramente cuántico y, para lo que nos interesa baste decir que cuando vale cero o un número entero, el comportamiento colectivo es muy diferente de cuando es semientero. En el helio 4 vale cero y en el helio 3, 1/2 , por lo que ambos se comportan de forma muy diferente.

En la teoría microscópica de la superconductividad los electrones, cuyo espín es 1/2, encuentran la manera de formar parejas con espín cero. Algunos físicos propusieron mecanismos que apareaban, con espín entero, los átomos de helio 3. Estas propuestas dejaron de ser un ejercicio académico cuando en 1972, Osheroff , Richardson y Lee descubrieron que a tres milésimas de grado por encima del cero absoluto, el helio 3 líquido se hacía superfluido, presentando al bajar más la temperatura una rica secuencia de transiciones de fase singulares que lo han hecho la joya de la física de la materia condensada. Anthony Leggett contribuyó de forma decisiva a nuestra comprensión actual de éste sistema. Ello lo consiguió combinando de forma muy inteligente las teorías de Landau de los líquidos de espín semientero, la teoría microscópica de la superconductividad y la teoría de la resonancia magnética nuclear.

Digamos para concluir que de acuerdo con la teoría de Landau de las transiciones de fase, en el helio 3 se van rompiendo simetrías al pasar cada transición, siendo la que surge a más baja temperatura la menos simétrica. Esta riqueza de roturas de simetría encuentra analogías, por responder a ecuaciones similares, en algunos modelos cosmológicos. Como las mismas ecuaciones tienen las mismas soluciones, algunos científicos han denominado cosmología en un frasco experimentos recientes en el helio 3 superfluido.

La moraleja del trabajo de los físicos laureados es que fenómenos muy complejos, y pienso en campos como la biología, deben esconder principios organizativos que hay que desvelar para, partiendo de ellos, elaborar teorías que incrementen nuestra capacidad de predecir nuevos fenómenos y desarrollar aplicaciones de interés para la humanidad.

Sebastián Vieira es catedrático de Física de la Materia Condensada. Universidad Autónoma de Madrid.