¿Qué es la física de la materia condensada?

La física es la ciencia que «estudia propiedades y transformaciones de la materia, fenómenos de todo tipo, e interroga experimental y teóricamente a la naturaleza, desde las partículas elementales hasta las galaxias». El campo de estudio de esta ciencia, por ende, es vastísimo, de ahí que se divida en diferentes ramas: biofísica, astrofísica, nuclear, de altas energías (o de partículas), teórica, de la materia condensada, entre otras. Por definición, la física de la materia condensada (FMC) es aquella encargada de estudiar las fases de la materia, las propiedades físicas y sus aplicaciones. En este breve artículo encontrarás información sobre la importancia de esta disciplina, unas cuantas curiosidades al respecto y algunas de sus aplicaciones cotidianas.

¿Fases y propiedades?… ¿qué puede haber ahí de novedoso o interesante!

Te preguntarás qué importancia tiene continuar estudiando hoy día las fases de la materia (líquida, sólida, gaseosa, plasma, ferroeléctrica, magnética…) y las propiedades físicas (conductividad, semiconductividad, aislamiento, maleabilidad, ductibilidad, elasticidad…), esos temas que viste en la secundaria y el bachillerato. Bueno, pues en realidad es mucho más complejo de lo que recuerdas de esas clases: los científicos no se quedan en la clasificación, investigan el cómo y el porqué de estos fenómenos; ¿y sabes…? aún en pleno siglo XXI nos quedan misterios por descifrar en torno a las fases y propiedades. Una vez comprendidos los cómos y los porqués, esos conocimientos pueden ser utilizados para mejorar las tecnologías actuales o desarrollar otras nuevas.

Y, como bien dicen los que saben, lo realmente divertido es hacer ciencia: para entender estas cuestiones de la materia, los investigadores hacen un viaje al fondo de ésta, donde encuentran partículas que, de acuerdo con las reglas de la física cuántica, interaccionan con otras partículas; al observar dicha interacción es posible detectar fases y propiedades antes desconocidas, que es lo que se llama fenómenos emergentes. Así, «un fenómeno emergente es un comportamiento colectivo que se observa en sistemas macroscópicos (a escala humana) y no se puede deducir reduciéndolo a sus elementos microscópicos constituyentes»; como pasa con la superconductividad, que «no puede ser comprendida aunque comprendamos perfectamente los electrones individuales». En palabras de Aristóteles: «El todo es más que la suma de las partes». El padre de la FMC, Philip WAnderson, lo describió como «Más es diferente».

Un poco de historia y conceptos básicos

En los años sesenta del siglo XX, a raíz de la unión de la física del estado sólido (orientada al estudio de los materiales cristalinos) y la de los materiales «blandos» (líquidos y gases), surgió la FMC; por tanto, se dedica al estudio de «una amplísima variedad de sistemas incluyendo materiales (semiconductores, superconductores, magnéticos, grafeno), fenómenos físicos  y aplicaciones». Entre las aportaciones conceptuales que esta disciplina ha dado a otras ramas de la física destacan: «el concepto de ruptura espontánea de simetría, el de emergencia, la invariancia de escala en sistemas críticos, o el teorema fluctuación-disipación». En 2016, la Real Academia de las Ciencias Sueca otorgó el Nobel de Física a David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane y J. Michael Kosterlitz, «por sus descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y de las fases topológicas de la materia».

Ahora bien, dado que el electrón es «el pegamento de los sólidos», la FMC se centra principalmente en su escrutinio (pero asimismo indaga la complejidad de las interacciones de fotones y moléculas). Según sea la interacción del electrón con su entorno, se pueden originar distintas partículas efectivas, llamadas cuasipartículas (que son como las partículas subatómicas de la física de altas energías, pero no van a por ahí rozando la velocidad de la luz). Entonces, una de estas cuasipartículas puede ser una partícula relativista sin masa (como sucede en el mentadísimo grafeno) o puede ser una partícula igual a su antipartícula (una partícula de Majorana). Cabe destacar que, a diferencia de la física de partículas, la FMC no requiere un «teatro del Big Bang» como el de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, le basta con laboratorios modestos como los que hay en muchas partes del mundo.

La FMC en tu vida diaria

Esta rama de la física ha tenido un rol protagónico en la revolución tecnológica de las últimas décadas, ha cambiado profundamente nuestra manera de vivir, comunicarnos, hacer negocios, viajar; y ha generado avances en medicina, computación o eficiencia energética. Tomemos por ejemplo tu teléfono inteligente, en él encontramos: cristal líquido, nanotransistores, lentes de alto índice de refracción en la cámara, dispositivos magnéticos en el micrófono y el altavoz, válvulas de espín en la memoria RAM… todos, resultado del último siglo de investigación en FMC. O los materiales superconductores, presentes en: equipos de resonancia magnética (cuyo funcionamiento no emite radiaciones nocivas), motores, generadores compactos, limitadores de corriente, transformadores o el tren más rápido del mundo (el Maglev).

¿Qué nos depara la FMC para el futuro?

Los especialistas hablan de acercar las temperaturas necesarias para la superconductividad a la temperatura ambiente, para así minimizar costos y poder, por ejemplo, sustituir las líneas de alto voltaje (que impactan el medioambiente y suponen pérdidas energéticas) con cables de baja potencia subterráneos. También se especula sobre el descubrimiento de materiales que almacenen más energía en menos tiempo, repelan la suciedad de su superficie, sean ligeros pero irrompibles, impermeables al aire y los virus, biocompatibles, conductores y flexibles a la vez, no contaminen, tengan mayor capacidad de computación, permitan el diagnóstico de enfermedades de forma no invasiva… El So Close Project (Sociedad Estadounidense de Física, Universidad Autónoma de Madrid, División de FMC de la Real Sociedad Española de Física) nos asegura que «todas esas fantásticas propiedades pueden ser posibles si manipulamos la materia a escala del nanómetro con precisión atómica».

La innegable importancia y ese prometedor futuro que ofrece la FMC (tan cercana y a la vez tan desconocida) han llevado a que actualmente, en los principales departamentos de física de todo el mundo, investigadores especializados en el estudio de la materia condensada continúen trabajando para que estas proyecciones sean realidades en un futuro no muy lejano; incluidos algunos científicos del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional y de la Universidad Nacional Autónoma de México. En fin, que —parafraseando a María José Calderón y Belén Valenzuela (investigadoras del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas)— ¡esta física es la onda! 8) Si te quedaste con ganas de saber más sobre la FMC, te recomendamos este video de Quantum Fracture.

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