La Teoría de Cuerdas llega a los metales extraños

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Teoría de CuerdasSe encuentra un vínculo entre los agujeros negros teóricos y unos misteriosos materiales.

La Teorías de Cuerdas, que algunos físicos esperan que sea capaz de unificar la gravedad con la mecánica cuántica, puede haber encontrado una aplicación en el mundo real. Un tipo de agujero negro predicho por la Teoría de Cuerdas puede ayudar a explicar las propiedades de una misteriosa clase de materiales conocidos como “metales extraños”.

La resistencia eléctrica en los metales extraños se incrementa linealmente con la temperatura en lugar de con el cuadrado de la temperatura, como en los metales normales. También tienen otras excitaciones de energía que pueden verse como partículas de vida especialmente corta.

Los metales extraños incluyen a los superconductores de alta temperatura, que no tienen resistencia eléctrica por debajo de una temperatura crítica que normalmente se define como por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (−196 °C). Sus propiedades han desconcertado a los físicos de materia condensada durante 20 años debido a que los metales extraños no pueden explicarse mediante el modelo líquido de Fermi, el cual capta las propiedades de los metales normales.

En 2003, el físico de materia condensada Subir Sachdev de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y sus colegas, propusieron un nuevo modelo conocido como líquido de Fermi fraccionalizado (FFL) que parecía tener en cuenta algunas de las propiedades de los metales extraños, incluyendo la variación de su resistencia con la temperatura1. Al contrario que el modelo líquido de Fermi, los espines mecánico-cuánticos de algunos electrones del material están unidos entre sí en un FFL.

Ahora, en un artículo publicado en Physical Review Letters2 el 4 de octubre, Sachdev muestra que las características del modelo FFL encajan con las de un tipo de agujero negro de la Teoría de Cuerdas. “Aún nos queda un largo camino para poder decir que la Teoría de Cuerdas explica la materia extraña, pero tenemos una esperanza”, señala Sachdev. “Es muy emocionante debido a que es una perspectiva completamente nueva”. Añade que ha estado aprendiendo sobre la Teoría de Cuerdas a toda velocidad.

Difuminándose en la retícula

El resultado de Sachdev se basa en el trabajo del físico teórico John McGreevy del MIT y sus colegas, que en 2009 aplicaron una conjetura de la Teoría de Cuerdas conocida como correspondencia AdS/CFT a los metales extraños. La correspondencia AdS/CFT establece una equivalente matemática entre sistemas cuánticos y objetos gravitatorios. McGreevy admite que los sistemas cuánticos que sus colegas y él estudiaron eran muy abstractos debido a que tenían propiedades que se difuminaban continuamente en el espacio en lugar de variar escalonadamente, de forma cuántica.

El de Sachdev es un modelo más realista, dice McGreevy, aplicando un objeto gravitatorio, un tipo de agujero negro, a un sistema cuántico con propiedades que varía escalonadamente a lo largo de una retícula, como en la estructura reticular de los metales extraños. “Aún no es un modelo del material real, pero es un progreso en esa dirección”, señala McGreevy.

No es la primera vez que la Teoría de Cuerdas se aplica a un problema de física de materia condensada. En 2004, Pavel Kovtun, ahora en la Universidad de Victoria en British Columbia, Canadá, y sus colegas, usaron la Teoría de Cuerdas para describir una sopa de partículas fundamentales conocidas como plasma de quark-gluón creada en colisiones en el acelerador RHIC en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York. Pero esto se considera un ejemplo bastante aislado, y otros intentos de aplicar la correspondencia AdS/CFT a los sistemas de materia condensada, incluyendo los superconductores, no han logrado conectar con un modelo realista, comenta Joe Polchinski, teórico de cuerdas en la Universidad de California en Santa Barbara.

Frontera física

La esperanza es que puedan usarse los trucos de la Teoría de Cuerdas para hacer progresos en la mejora del modelo FFL. Uno de sus aspectos problemáticos es la predicción de un estado de la materia que aún tiene algún nivel de orden (entropía no cero) en el cero absoluto (0 Kelvin). Esto viola la tercera ley de la termodinámica, la cual dice que , para los FFLs, la entropía debería tender a cero cuando el sistema se enfría al cero absoluto. Sachdev dice que siempre ha considerado esto como una pega de la teoría, pero otros físicos toman la aproximación de que en lugar de eso, nos podría estar diciendo algo profundo sobre los materiales reales. “Nunca supimos si era un defecto o una característica”, dice Polchinski.

En su último trabajo, Sachdev demuestra que la versión del modelo FFL basado en Teoría de Cuerdas también viola la tercera ley de la termodinámica en el cero absoluto. El surgimiento del mismo problema en un marco de trabajo matemático completamente distinto señala a algo en el mundo real, comenta Polchinski. Sachdev dice que se necesita realizar más trabajo para establecer esto con seguridad.

McGreevy sugiere que la teoría está señalando su propia inestabilidad, por lo que el material real cambiará a otra fase a una temperatura mayor que 0 K. En un comentario al artículo de Sachdev3, McGreevy dice que se sabe que los superconductores de alta temperatura cambian de un comportamiento de metal extraño a superconducción cuando son enfriados, y evitando entrar en el estado de entropía cero.

Incluso si la Teoría de Cuerdas tiene éxito en su ayuda a los físicos de materia condensa respecto a los metales extraños, eso no significa necesariamente que la teoría sea la descripción de las partículas fundamentales y de la gravedad. No obstante, significará que la Teoría de Cuerdas ha sido útil para algo. “Ésta es una frontera importante”, dice McGreevy.


Referencias:
1. Senthil, T. et al. Phys. Rev. Lett. 90, 216403 (2003).
2. Sachdev, S. et al. Phys. Rev. Lett. 105, 151602 (2010).
3. McGreevy, J. Physics 3, 83 (2010).

Autor: Eugenie Samuel Reich
Fecha Original: 19 de octubre de 2010
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