La física clásica afirma que un cristal consta de partículas perfectamente ordenadas de una estructura atómica simétrica continua. El teorema de Mermin-Wagner de 1966 rompió con este punto de vista:establece que en estructuras atómicas unidimensionales y bidimensionales (por ejemplo, en una cadena o membrana atómica) no puede haber un orden perfecto de partículas en rangos largos.

Ahora, 50 años después, un grupo de físicos de Konstanz encabezado por el Dr. Peter Keim, pudieron probar el teorema de Mermin-Wagner mediante experimentos y simulaciones por computadora, al mismo tiempo que dos grupos de trabajo internacionales de Japón y los EE. UU. Los resultados de la investigación se publicaron en la edición del 21 de febrero de 2017 de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) periódico científico.

Basado en un sistema modelo de coloides, Peter Keim pudo demostrar que en los sistemas de baja dimensión ocurren fluctuaciones lentas pero en constante crecimiento en la distancia entre las partículas:las posiciones se desvían de los sitios de celosía perfecta, las distancias aumentan o disminuyen con frecuencia. Por lo tanto, la formación de cristales en rangos largos no es posible en materiales de dimensiones reducidas.

"A menudo, el teorema de Mermin-Wagner se ha interpretado en el sentido de que no existen cristales en absoluto en sistemas bidimensionales. Esto es incorrecto:de hecho, las fluctuaciones de densidad de onda larga crecen logarítmicamente en sistemas bidimensionales y solo destruyen el orden en rangos largos , "explica Peter Keim. En pequeños sistemas de sólo unos pocos cientos de partículas, de hecho, puede producirse la formación de cristales. Pero cuanto más grandes son los sistemas, cuanto más crecen las irregularidades en la posición de las partículas, en última instancia, previene la formación de cristales en rangos largos. Peter Keim también pudo medir la tasa de crecimiento de estas fluctuaciones:observó el crecimiento logarítmico previsto, la forma más lenta posible de un aumento monótono. "Sin embargo, la perturbación del orden no solo tiene un impacto estructural, pero también deja huellas en la dinámica de las partículas, "continúa Keim.

El teorema de Mermin-Wagner es uno de los temas estándar de interés en física estadística y recientemente se convirtió en un tema de discusión nuevamente en el contexto del Premio Nobel de Física:Michael Kosterlitz, el ganador del Premio Nobel de 2016 publicó en un comentario cómo él y David Thouless se motivaron para investigar las llamadas transiciones de fase topológica en materiales de baja dimensión:fue la contradicción entre el teorema de Mermin-Wagner lo que prohíbe la existencia de cristales perfectos de baja dimensión , por un lado, y las primeras simulaciones por ordenador que, sin embargo, indicaban cristalización en dos dimensiones, por otro. La prueba de Peter Keim y su equipo de investigación ahora ha resuelto esta aparente contradicción:en escalas cortas, la formación de cristales es posible, pero imposible a grandes distancias.

El proyecto con sede en Konstanz analiza datos de cuatro generaciones de tesis doctorales. Las fluctuaciones Mermin-Wagner se probaron con éxito investigando la dinámica en desorden, amorfo, eso significa vidrioso, sólidos bidimensionales, al igual que en el trabajo de Japón y EE. UU. que apareció casi al mismo tiempo, mientras que la existencia de fluctuaciones de Mermin-Wagner en cristales bidimensionales aún no se ha probado directamente. La investigación de Konstanz fue patrocinada por la German Research Foundation (DFG) y el Young Scholar Fund de la Universidad de Konstanz.