Superconductores y superfluidos exóticos

El premio Nobel de Física de este año ha sido concedido a tres veteranos de la física teórica de la materia condensada por sus contribuciones a la comprensión de formas peculiares de la superconductividad y la superfluidez, fenómenos de bajas temperaturas caracterizados por el transporte de materia sin disipación. Junto con el legendario físico ruso Lev Landau, Vitaly Ginzburg desarrolló en los años cincuenta una teoría fenomenológica de la superconductividad que permitió clasificar los conocimientos entonces existentes y que resultó ser esencial para la posterior comprensión microscópica. Todavía hoy, la teoría de Ginzburg-Landau es utilizada profusamente en descripciones macroscópicas de la superconductividad, así como en otras áreas de la Física e incluso de las Matemáticas.

Alexei Abrikosov, entonces estudiante de Landau, aplicó dicha teoría de forma brillante para explicar y predecir las propiedades de los llamados superconductores de tipo II, que permiten una penetración parcial del campo magnético mediante la formación de vórtices (tornados cuánticos). Aunque desarrollado en 1953, el trabajo de Abrikosov no fue publicado hasta 1957 debido a la fuerte y equivocada oposición de Landau. Todos los superconductores de alta temperatura descubiertos desde 1987 son de tipo II, como los son también los materiales utilizados para generar altos campos magnéticos en aceleradores de partículas y reactores de fusión.

Si la superconductividad es conducción de electrones sin disipación, la superfluidez es flujo de átomos neutros sin fricción. Ambos fenómenos requieren la existencia de bosones, partículas que gustan de ocupar el mismo estado cuántico a temperaturas muy bajas. Al igual que los electrones, los átomos de helio-3 se encuentran con la dificultad de que son fermiones, esto es, partículas individualistas que sólo pueden superfluir a temperaturas muy bajas, cuando se agrupan para formar parejas de carácter bosónico. A principios de los años setenta, Anthony Leggett desarrolló los trabajos que permitieron explicar la compleja superfluidez del helio-3. La presencia simultánea de dos contribuciones al momento angular en cada pareja de átomos, una debida a la suma de los momentos intrínsecos de cada átomo y otra debida al movimiento orbital de los dos átomos, da lugar a una rica estructura de fases macroscópicas. La ruptura de simetría es un concepto central en la física moderna. A bajas temperaturas, un sistema físico adopta configuraciones con menor simetría que la de sus fuerzas fundamentales. La superfluidez del helio-3 proporcionó el primer ejemplo de ruptura de simetría múltiple y su comprensión ha tenido influencia en la física de cristales líquidos, la física de partículas elementales y la cosmología.

Posteriormente, Tony Leggett ha contribuido a reavivar el debate sobre los fundamentos de la física cuántica, proponiendo experimentos que prueban la naturaleza cuántica de la materia a escala macroscópica. Bajo la estela de sus trabajos sobre disipación cuántica, se han realizado experimentos que han permitido observar efectos genuinamente cuánticos en anillos superconductores.

Leggett, con quien he tenido la fortuna de trabajar en los últimos años, es un científico de sólida cultura humanista. Estudió el bachillerato de letras y luego filología clásica en Oxford. A los 20 años, sin más formación matemática que la proporcionada unos años antes por un jesuita que se ofreció a darle clases durante su verano preuniversitario, dio el salto a la física iniciando una fructífera carrera.

Fernando Sols Lucia es director del Instituto Nicolás Cabrera de la Universidad Autónoma de Madrid.