La Teoría de Cuerdas llega a los metales extraños

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
Enlace Original

Comparte:
  • Print
  • Digg
  • StumbleUpon
  • del.icio.us
  • Facebook
  • Twitter
  • Google Bookmarks
  • Bitacoras.com
  • Identi.ca
  • LinkedIn
  • Meneame
  • Netvibes
  • Orkut
  • PDF
  • Reddit
  • Tumblr
  • Wikio
This page is wiki editable click here to edit this page.

Like This Post? Share It

Comments (10)

  1. Leyendo el de Nature no entiendo la verdad por qué se empeñan en decir que la correspondencia AdS/CFT es una aplicación de la teoría de cuerdas en el mundo real.

    En realidad, la correspondencia anti – de Sitter con la Conformal Field Theory es una herramienta desarrollada por Maldacena y que permite simplificar las cosas. Es útil en la teoría de cuerdas porque ayuda a conectar un problema complicado con las ecuaciones de la Relatividad General que son bien conocidas mediante un truquillo que consiste en reducir las dimensiones del problema.

    El espacio anti-de-Sitter de 5 dimensiones puede en un cierto límite asemejarse a un espacio plano con 3 dimensiones espaciales y una 1 temporal. La correspondencia AdS/CFT afirma que la gravedad en este espacio se comporta como la teoría supersimétrica (hay una simetría que permite cambiar fermiones por bosones) de Yang-Mills.

    Y la gracia de todo esto es que se puede aplicar en otros campos (fundamentalmente, en materia condensada) para resolver problemas muy complejos.

    Pero en sí, aunque es una herramienta desarrollada en el seno de la teoría de cuerdas, dista bastante de ser un tanto a favor de la teoría de cuerdas. Es como decir que como Newton necesitó desarrollar el cálculo diferencial para demostrar la ley de la gravedad, el que podamos hacer integrales demuestra que la gravedad existe.

    Un tanto sui generis.

    • jurl

      Soberbia puntualización xD. Sólo por pedantería, en cierto modo (ref. “psicología”) efectivamente, la gravedad existe porque existe el cálculo diferencial e infinitesimal, es decir, en el sentido de afirmar que algo existe en el momento que tomamos consciencia de ello, la gravedad no existe ni se puede llegar a concebir -no en su formulación científica- sin cálculo diferencial. No sé si se me pilla la idea xD (en realidad, creo que una de las cosas que tiene la ciencia es que nos permite jugar, en el más amplio sentido de la palabra, con nosotros mismos, individualmente hablando, incluso).

    • Migui, mucho me temo que en la correspondencia de Maldacena si juegan un papel fundamental aspectos cuerdísticos y que no se da directamentre entre una teoría gauge (conforme) y la gravedad en anti de-sitter. No me pidas detalles, que no me los sé de memoria, la ADS/CFT es uno de los aspectos de la teoría de cuerdas que menos me interesan (al menos por ahora) y sólo he leído lo que viene en los capitulo correspondientes de libros de texto y (parcialmente) algún articulillo de review de algún aspecto concreto.

      Bueno, si estás muy, muy interesado podría mirarlo, pero no sé de dónde iva a sacar tiempo xD.

      • Lo sé, lo que quiero decir es que la aplicabilidad de la correspondencia AdS/CFT como matemática que es no implica necesariamente que la teoría de cuerdas sea correcta, si acaso que funciona bien matemáticamente hablando, pero eso ya se sabe ¿no?

  2. Francisco

    ¿Primera aplicación al mundo real? Estamos hablando de una teoría de la CIENCIA que intenta explicar la REALIDAD por medio de la RAZÓN. Por lo tanto sería más correcto poner que tiene una aplicación en otras teorías.

  3. Esto lo entienden mejor los expertos en la TDC. mi unica duda es ¿que es eso de “particulas de vida” en materiales estraños?

  4. Por lo menos sabemos que la teoría de super cuerda tiene alguna aplicación, es muy loable el hecho de poder concatenar situaciones que lleven a un desbrose de las investigaciones científica por el camino de su utilización práctica.
    En este caso el hecho de que se viole o no la tercera ley de la termodinámica, con la entropía diferente de cero, es medio preocupante, hay que buscar la causa de esto.

  5. Hoy que estoy en plan de reflexiones profundas esta entrada me hace reflexionar sobre lo que Wigner denominó “la irrazonable eficacia de las matemáticas”. ¿Por qué el universo cumple las leyes matemáticas? ¿Las matemáticas son una invención humana o son un descubrimiento humano de algo que “ya estaba ahi”?
    Yo creo que ambas cosas: parte de la matemática como el cálculo son “invenciones” humanas que sirven de herramienta poderosa para realizar cálculos y poder llegar a resultados y conclusiones concretas sin embargo, opino que estas herramientas se construyen en base a argumentaciones lógicas y abstractas más profundas que “ya estaban ahí”, esas relaciones son la base fundamental de la matemática y de alguna forma deben ser consecuencia de características fundamentales del universo como la geometría y el espacio-tiempo (es el caso del espectacular teorema de Noether que relaciona las leyes físicas con las simetrías del espacio-tiempo o la teoría de grupos que relaciona simetría-álgebra y propiedades fundamentales de partículas físicas).
    En el caso de la geometría es claro que las leyes matemáticas se obtienen observando el entorno físico ,sin embargo, a través de estas relaciones matemáticas abstractas conectamos (aqui está el verdadero poder de la matemática) leyes sencillas producto de la observación con leyes mucho más complejas y abstractas que explican fenómenos complejos del mundo físico. Este es el caso de la teoría de cuerdas que se “creó” para explicar la fuerza nuclear fuerte, pasó a convertirse en una posible “teoría de todo” y ahora parece explicar fenómenos complejos del plasma “quark-gluón”. Quizás próximamente un nuevo genio matemático descubra cuales son esas relaciones profundas matemáticas que conectan unas ramas con otras y los pilares matemáticos que explican el funcionamiento del universo se muestren en todo su esplendor.

  6. Por cierto, recientemente el LHC ha descubierto una extraña correlación entre distintos momentos de partículas entre los productos de los choques de protones. Estas correlaciones aunque a un nivel muy inferior ya fueron encontradas en el RHIC en el plasma quark-gluón, el comportamiento de este plasma es descrito por ciertas teorias de cuerdas a través de la dualidad ADS/CFT por lo que algunos físicos como Lubos ya ven la firma de las cuerdas en dicho hallazgo (aunque claro quizás se ha dejado llevar demasiado por sus deseos en este caso). Ahora en Noviembre comienzan las colisiones con iones pesados en el LHC y es posible que los nuevos datos expliquen estas misteriosas correlaciones. Además el LHC ha recogido en las últimas 2 semanas más datos que en los últimos 4 meses y su luminosidad ha crecido de forma expectacular mejorando enormemente todas las espectativas. Entramos en el terreno de lo desconocido por fin, se avecinan grandes descubrimientos y una nueva física. Y que la gente solo hable de la Belén Esteban y del gran hermano que desperdicio :D

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos necesarios están marcados *