Las extrañas propiedades de los cupratos superconductores no se describen mediante los métodos conocidos de la mecánica cuántica, pero pueden asociarse con las propiedades de los agujeros negros de dimensiones superiores.De acuerdo con la teoría cuántica moderna, el universo está atravesado por campos de energía, y la onda de energía en estos campos, llamados "partículas" si se parece más a un punto, u "ondas" si está más manchada, sirve como bloques de construcción de materia y fuerzas de acción. Nuevos descubrimientos sugieren que esta visión de las ondas / partículas solo describe superficialmente los componentes del universo.
Si imaginamos que cada campo de energía llena el espacio como la superficie de un estanque, y las olas y las partículas como perturbaciones de esta superficie, entonces nueva evidencia sugiere la existencia de un mundo vivo oculto debajo de la superficie.
Durante décadas, la descripción de los fenómenos subatómicos en la "superficie del estanque" fue suficiente para realizar cálculos precisos de la mayoría de los fenómenos físicos. Pero recientemente, los físicos arrastraron a profundidades subatómicas una nueva y extraña clase de materia que se resiste a la descripción utilizando métodos cuánticos bien conocidos.
"Crecí en física viviendo en esta superficie plana", dijo
Subir Sachdev , profesor de física en la Universidad de Harvard que estudia estas extrañas formas de materia. Y ahora, según él, ha aparecido una dimensión completamente nueva, y "puedes imaginar que las partículas solo están terminando en esta superficie".
De todos los tipos inusuales de materia, los cupratos (metales que contienen cobre que exhiben superconductividad a altas temperaturas) pueden ser los más inusuales. En un nuevo estudio
publicado en el Journal of High Energy Physics, los físicos de la Universidad de California, Santa Bárbara, estudiaron los fenómenos asociados con el misterioso comportamiento "superficial" de los cupratos. Concentrándose en sus cálculos en el medio que se encuentra debajo de la superficie, los investigadores derivaron la fórmula de conductividad de cuprato, previamente conocida solo por experimentos.
"Es sorprendente que pueda comenzar con esta teoría y de repente obtener la conductividad de estos extraños superconductores", dice Sachev, no relacionado con este trabajo.
Los resultados respaldan la evidencia de que la nueva forma de describir los ladrillos de construcción de la naturaleza es real y "sorprendentemente literal", dice Jan Zaanen, físico teórico de la Universidad de Leiden en los Países Bajos.
Además, los resultados pueden interpretarse como evidencia indirecta de la teoría de cuerdas: una plataforma de 40 años que cose mecánica cuántica con gravedad, que, por un lado, es matemáticamente elegante y tiene profundas habilidades explicativas, y por otro, aún no se ha demostrado.
Los científicos también sostienen que estos descubrimientos pueden tener consecuencias de largo alcance en asuntos relacionados con la materia oscura, una sustancia misteriosa que constituye el 84% de la masa del Universo, así como en la búsqueda de una "teoría de todo" que describa matemáticamente toda la naturaleza.
"Existe una posibilidad real de que en los próximos años haya un progreso sin precedentes en la física fundamental", dice Zaanen. "Todo se está desarrollando muy, muy rápido".
Debajo de la superficie
Si las ondas y las partículas son perturbaciones en la superficie del estanque, entonces la relación entre esta perturbación y lo que sucede en profundidad se describió por primera vez por un principio matemático, descubierto en 1997. En un
trabajo histórico, Juan Maldacena, que trabajaba en la Universidad de Harvard y ahora en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, mostró que los eventos que tienen lugar en una región tridimensional del espacio corresponden matemáticamente a eventos completamente diferentes que tienen lugar en el borde bidimensional de esta región. (Los eventos en el espacio 4-dimensional también corresponden a eventos en 3-dimensional, etc.)
Considere nuestro estanque tridimensional y su superficie bidimensional. Para que esta correspondencia funcione, el interior del estanque debe describirse mediante la teoría de cuerdas, en la que los electrones, fotones, gravitones y todos los demás ladrillos del universo aparecen en forma de pequeñas líneas unidimensionales o "cuerdas". La masa y otras propiedades macroscópicas corresponden a las vibraciones de las cuerdas, y las interacciones entre diferentes tipos de materia y fuerzas dependen de cómo las cuerdas se dividen y combinan. Estas cuerdas viven dentro del estanque.
Ahora imagine que la superficie bidimensional de un estanque es descrita por la mecánica cuántica. Las partículas son explosiones en la superficie y las olas son ondas de las explosiones. No hay gravedad en la superficie de un estanque imaginario.
El descubrimiento de Maldacena, conocido como dualidad holográfica, mostró que los eventos dentro de una región, incluida la gravedad y descritos por la teoría de cuerdas, se transforman matemáticamente en eventos en la superficie que no experimentan gravedad y se describen mediante teorías de partículas cuánticas.
"Para comprender esta conexión, debe tener en cuenta lo principal: cuando la teoría de la gravedad es fácil de analizar, las partículas en el borde, o, en nuestro caso, en la superficie del estanque, interactúan muy fuertemente entre sí", dijo Maldasena. Lo contrario también es cierto: cuando las partículas en la superficie están en calma, como ocurre en la mayoría de los tipos de materia, la situación en las profundidades del estanque es extremadamente complicada.
Debido a este contraste, el dualismo es muy útil.
Una extraña clase de materiales, que incluye cupratos, pertenece a la primera categoría; Los experimentos muestran que en estos materiales las partículas interactúan tan fuertemente entre sí que pierden su individualidad. Los físicos dicen que las partículas "se correlacionan fuertemente". Las ondas correspondientes a cada partícula se superponen tan fuertemente que se produce un efecto de enjambre. La materia fuertemente correlacionada puede comportarse de manera atípica e inusual, de modo que en algunos casos este comportamiento no puede describirse mediante métodos conocidos de mecánica cuántica, dice Sean Hartnoll, profesor de física en la Universidad de Stanford. "Debe describirlos de una manera diferente a la que comienza con una descripción de una partícula individual", dice. "No se puede describir el océano a través de moléculas de agua individuales".
Si la materia con una fuerte correlación "vive" en la superficie bidimensional del estanque, del dualismo holográfico se deduce que la turbulencia extrema en la superficie es equivalente a la calma en profundidad. Los físicos pueden obtener una descripción de la situación en la superficie estudiando en profundidad una situación paralela, pero mucho más simple. "En este mundo tranquilo, puedes hacer cálculos", dijo Zaanen.
En la expresión matemática del dualismo holográfico, cierta materia con una fuerte correlación en dos dimensiones corresponde a agujeros negros en tres dimensiones, objetos infinitamente densos con atracción gravitacional, que no se pueden evitar, y son matemáticamente bastante simples. "Estos efectos colectivos extremadamente complejos de la mecánica cuántica caen maravillosamente en el campo de la física de los agujeros negros", dijo Hong Liu, profesor asociado de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "En los sistemas con una fuerte correlación, cuando pones un electrón allí, inmediatamente" desaparece ", ya no se puede rastrear". Esto es comparable a cómo un objeto cae en un agujero negro.
Modelo de superconductividad
En los últimos diez años, el estudio de los agujeros negros equivalentes a formas de materia con una fuerte correlación ha arrojado resultados sorprendentes, por ejemplo, una
nueva ecuación para la viscosidad de líquidos con una fuerte correlación y una mejor comprensión de la interacción entre quarks y gluones, partículas que viven dentro de los núcleos atómicos.
Jorge Santos y Gary HorowitzGary Horowitz , especialista en teoría de cuerdas de la Universidad de California en Santa Bárbara y Jorge Santos, Ph.D. del grupo Horowitz, aplicaron el principio del dualismo holográfico a los cupratos. Dedujeron la fórmula de conductividad de metales aproximadamente bidimensionales, estudiando las propiedades de lo que podría corresponderles en 3D: un agujero negro cargado eléctricamente de una forma inusual.
En cupratos, un enjambre de electrones fuertemente correlacionados se mueve a lo largo de una red atómica fija. El modelado de metales con dualismo holográfico requirió la reconstrucción del equivalente de esta red en la estructura del agujero negro correspondiente, o más bien, dándole un horizonte ondulado.
"Cuando se trata de agujeros negros, necesitas a Gary", dice Zaanen.
Para determinar la conductividad de los cupratos, Horowitz y Santos tuvieron que estudiar las características de la interacción de la luz con el complejo horizonte de su agujero negro. La ecuación era demasiado complicada para resolverla de frente, por lo que encontraron soluciones aproximadas usando una computadora. En su
primer artículo sobre este enfoque, escrito con el físico de la Universidad de Cambridge
David Tong y publicado en el Journal of High Energy Physics en julio de 2012, derivaron una fórmula correspondiente a la conductividad de cuprato a altas temperaturas para la corriente alterna. En un nuevo trabajo, ampliaron los cálculos a aquellas temperaturas a las cuales los cupratos se vuelven superconductores, es decir, conducen la corriente sin resistencia, y nuevamente mostraron una buena aproximación a los datos experimentales sobre la conductividad de los cupratos reales.
"Me sorprende que un modelo de gravedad tan simple pueda reproducir cualquier propiedad de material real", dijo Horowitz. "Nos inspira a seguir trabajando".
La precisión del modelo en algunos casos importantes falla, por ejemplo, para las corrientes alternas de frecuencias súper altas, pero Sachdev dice que, dado lo simple que resultó ser el modelo de "agujero negro arrugado", "no podía esperarse mejor". La inclusión de una mayor cantidad de detalles microscópicos de cupratos en la estructura de un agujero negro, en su opinión, profundizará su congruencia.
Hartnol, quien recientemente utilizó el principio del dualismo holográfico para
modelar las transiciones de aisladores metálicos en materiales con una fuerte correlación, espera usar los resultados de Horowitz y Santos resolviendo con precisión sus ecuaciones. “Tienen entrada y salida; nos gustaría desempacarlos y comprender los pasos intermedios importantes ”, dijo. Esto ayudará a comprender por qué la fórmula de conductividad emerge del modelo de agujero negro y proporciona una comprensión de las fuerzas correspondientes que trabajan dentro de los cupratos.
Nuevo dualismo
Comprender la física de los cupratos puede tener importantes implicaciones prácticas. La mayoría de los metales pasan al estado superconductor cuando la temperatura cae a un estado cercano al cero absoluto. Pero por razones que no están del todo claras, los cupratos exhiben una superconductividad a temperaturas mucho más asequibles, lo que los hace útiles para su uso en una variedad de dispositivos, desde cables eléctricos de alta potencia hasta motores de barcos. Pero los cupratos son frágiles y caros, por lo que crear versiones mejoradas de este material puede conducir a un avance significativo en varias tecnologías, desde vehículos con amortiguación magnética hasta redes eléctricas más eficientes.
Tienen el potencial de avanzar en la física fundamental. Si el dualismo holográfico da predicciones precisas del comportamiento de los cupratos y otros materiales con una fuerte correlación, estos materiales pueden considerarse, de hecho, como agujeros negros en dimensiones más altas.
"Si tuviéramos un modelo que reproduzca todas las propiedades de un material, podría considerarse como su teoría, muy inusual, pero, gracias al dualismo, sería el equivalente de cualquier teoría que trabaje en el borde con partículas ordinarias", dijo Horowitz. "Y ese podría ser un enfoque mucho más simple".
Representación por computadora del horizonte del agujero negro utilizado en el estudio para simular cupratosEl dualismo holográfico tiene algo en común con la dualidad onda-partícula, lo que condujo al desarrollo de la mecánica cuántica. A principios del siglo XX, la luz, anteriormente considerada una onda, en algunos estudios se comportó misteriosamente, a menos que la consideres partículas; el comportamiento de los electrones considerados partículas a veces no tiene sentido si no se consideran ondas. "La dualidad onda-partícula, cuando se propuso por primera vez, resultó ser una sorpresa, porque eran dos, a primera vista, conceptos diferentes, y aprendimos que representan lo mismo", dijo Horowitz. El dualismo holográfico "es más complejo, pero sus propiedades son las mismas", dice. "Tienes dos, a primera vista, objetos completamente diferentes que resultan ser equivalentes".
Pero, ¿cómo encaja el dualismo holográfico en nuestra comprensión de la naturaleza? ¿Es real la analogía con las cadenas de estanque unidimensionales? Según los físicos, no necesariamente. De hecho, las cadenas no están incluidas en los cálculos de las propiedades de los agujeros negros Horowitz y Santos, que utilizaron para modelar cupratos. Pero estos descubrimientos realmente conducen al hecho de que "todas estas teorías, que nos parecían diferentes, resultan estar relacionadas entre sí", dijo Maldasena. "Esto muestra que la teoría de cuerdas no está divorciada del resto de la física".
Según los físicos, la teoría de cuerdas puede ser simplemente el mejor lenguaje matemático para trabajar con ciertos aspectos de la realidad.
“La física ha estado tradicionalmente sujeta al reduccionismo. Ella quiere tomar algo complicado y entender en qué partes consiste ”, explica Hartnol. "Pero no hay una forma única para este enfoque: en algunos casos, los electrones pueden ser los ladrillos fundamentales, y en otros, la excitación conjunta de los electrones es más fundamental que cualquiera de ellos individualmente".
"Estamos tratando de encontrar los componentes fundamentales adecuados para describir estas extrañas fases de la materia", dice. "Podrían ser cuerdas en una dimensión superior".
Los físicos interpretan el significado de que las partículas en metales frágiles extraños corresponden matemáticamente a cuerdas y agujeros negros inusuales que existen teóricamente en una dimensión superior, y el dualismo holográfico les ayuda a "pensar de manera diferente sobre los acertijos en los laboratorios", dice Zaanen. - Quizás no sea solo una forma diferente de pensar; el punto es ver hechos reales y maravillosos ".