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Premio Nobel de Física 1998 en la estructura de la materia

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A mediados de octubre, como es costumbre, llegamos desde Suecia al sonido de los Premios Nobel: primero el de Literatura y el último el de Paz, los que más atención y presencia recibieron en los medios de comunicación. Entre ellos se anunciaron los de Economía, Física, Fímica y Medicina. Hablamos de estos tres últimos.

Este año, como es habitual, el premio Nobel de Física que otorga anualmente la Real Academia Sueca de Ciencias se ha trasladado a Estados Unidos. Y, como suele ocurrir en los últimos años, el premiado no es el único, ya que la ciencia y la investigación no son un trabajo individual, sino un trabajo en equipo. Los ganadores de este año son tres: Robert. B. Laughlin, Horst L. Störmer y Daniel C. Tsui.

Por último, el año pasado y como hace dos años, el premio a la Física lo han conseguido quienes analizan el comportamiento de la materia a muy baja temperatura. Tres investigadores han descubierto que los electrones, expuestos a un campo magnético, pueden unirse, compactarse y formar nuevos "tipos de partículas". La carga eléctrica de estas nuevas partículas es la fracción de la carga de los electrones. En otras palabras, se ha encontrado un nuevo comportamiento colectivo de los electrones, que ha abierto muchas nuevas vías de investigación.

El descubrimiento se produjo en un experimento realizado en 1982 por Störmer y Tsui en el laboratorio de magnetismo del Instituto Tecnológico de Massachussets: utilizando un campo magnético muy grande y una temperatura muy baja (unas décimas de grado por encima del cero absoluto), los electrones, compactados, creían que formarían un sólido cristalino, pero encontraron unos valores similares a los del efecto cuántico Hall, es decir, los nuevos valores de la sombra del converge.

Estos nuevos valores se pueden expresar con las mismas constantes que antes, pero esta vez se pueden multiplicar por números enteros y números fraccionarios (1/3, 2/3, 3/4...). Por ello, el nuevo descubrimiento se denominó efecto cuántico fraccionario Hall. El descubrimiento fue una gran sorpresa para los investigadores, que carecían de un modelo teórico que explicara cómo podían aparecer estos nuevos valores. De hecho, según esto y contra lo que hasta entonces se conocía, la carga mínima de las entidades que generan corriente eléctrica en el movimiento no es una (carga eléctrica del electrón en vacío), puede ser menor, como un tercio de la carga del electrón.

Un año después del descubrimiento, Rober B. Laughlin logró explicar teóricamente el resultado del ensayo, según el cual bajo un campo magnético grande y a muy baja temperatura los electrones se compactan formando un nuevo tipo de fluido cuántico. Para ello (ya que los electrones no pueden ser compactados sin más), los electrones se combinan con los "tantos de flujo" del campo magnético, formando partículas compuestas compactables (tipo bosón). Los tipos de fluidos cuánticos se han observado anteriormente a muy baja temperatura en helio líquido y superconductores. Aunque todas tienen características comunes como la superfluidez, su comportamiento es diferente.

El fluido propuesto por Laughlin presenta características especiales. Por ejemplo, es incompresible. Además, cuando se añade un electrón se excita el fluido y se crean varias "cuasipartículas". Son precisamente estas cuasipartículas las que tienen la carga fraccionaria necesaria para explicar los resultados de Störmer y Tsui. En posteriores mediciones se han encontrado nuevos valores de conductancia Hall que han demostrado el modelo teórico de Laughlin. Los avances en el campo de la microelectrónica, tras los trabajos de 1982-83 de estos Premios Nobel, han permitido demostrar indirectamente la existencia de los cuasiparts y medir la carga fraccionaria, comprobando los hallazgos de los tres investigadores.

Por tanto, el descubrimiento ha supuesto un paso importante en el campo de la física cuántica, que ha permitido sentar la base para desarrollar nuevos conceptos teóricos en muchas ramas de la física cuántica. Se trata de una investigación básica, que no tendrá consecuencias inmediatas, pero los científicos ya han empezado a ver las aplicaciones, a predecir mejor.

Los límites del proceso de miniaturización que en la actualidad se estaba viendo en ordenadores, teléfonos móviles y otros muchos ámbitos de la microelectrónica podrían romperse a raíz de este descubrimiento, es decir, se ha abierto el camino para que los futuros componentes electrónicos sean aún más pequeños de lo que se pensaba hasta ahora.