Con 30 páginas de cálculos escritos a mano, El becario postdoctoral de Duke, Sho Yaida, ha puesto fin a un misterio de hace 30 años sobre la naturaleza del vidrio y los materiales 'desordenados' a bajas temperaturas. De hecho, pueden ser un nuevo estado de la materia. Crédito:Irem Altan
Acérquese a un cristal y encontrará una matriz ordenada de átomos, espaciados uniformemente como las ventanas en el Empire State Building. Pero acércate a un trozo de vidrio y la imagen parece un poco más desordenada, más como un montón de arena al azar, o quizás las ventanas de un edificio de Frank Gehry.
La naturaleza altamente ordenada de los cristales los hace bastante simples de entender matemáticamente, y los físicos han desarrollado teorías que capturan todo tipo de propiedades de los cristales, desde cómo absorben el calor hasta lo que sucede cuando se rompen.
Pero no se puede decir lo mismo de vidrioso, materiales amorfos o "desordenados" como el vidrio de nuestras ventanas y jarrones, alimentos congelados, y ciertos plásticos. No existen teorías ampliamente aceptadas para explicar su comportamiento físico.
Durante casi 30 años, Los físicos han debatido si una misteriosa transición de fase, presente en modelos teóricos de materiales desordenados, también podría existir en gafas de la vida real. Con la ayuda de algunos hechiceros matemáticos tomados de la física de partículas, además de docenas de páginas de cálculos algebraicos, Todo hecho a mano:el becario postdoctoral de la Universidad de Duke, Sho Yaida, ha puesto fin a este misterio.
Los conocimientos de Yaida abren la posibilidad de que algunos tipos de vidrio puedan existir en un nuevo estado de la materia a bajas temperaturas. influir en cómo responden al calor, sonido y estrés, y cómo y cuándo se rompen.
"Encontramos indicios de la transición que no nos atrevimos a decir que fueran evidencia de la transición porque parte de la comunidad dijo que no podía existir, "dijo Patrick Charbonneau, profesor asociado de química en Duke y asesor de Yaida. "Lo que muestra Sho es que puede existir".
Los cálculos anteriores no pudieron encontrar un 'punto fijo' en tres dimensiones, o un lugar donde todas las líneas se superponen (izquierda). Al llevar estos cálculos un paso más allá, Yaida pudo encontrar el punto fijo (derecha), mostrando que podría existir una nueva transición de fase en vidrios a bajas temperaturas. Crédito:Sho Yaida
Por increíble que parezca, Charbonneau dijo:las matemáticas detrás de los anteojos y otros sistemas desordenados son en realidad mucho más fáciles de resolver asumiendo que estos materiales existen en un universo hipotético de dimensión infinita. En infinitas dimensiones, sus propiedades se pueden calcular con relativa facilidad, de forma muy similar a como se pueden calcular las propiedades de los cristales para nuestro universo tridimensional.
"La pregunta es si este modelo tiene alguna relevancia para el mundo real". Charbonneau dijo. Para los investigadores que llevaron a cabo estos cálculos, "la apuesta era que, a medida que cambia de dimensión, las cosas cambian lo suficientemente lento como para que puedas ver cómo se transforman a medida que pasas de un número infinito de dimensiones a tres, " él dijo.
Una característica de estos cálculos dimensionales infinitos es la existencia de una transición de fase, llamada "transición de Gardner" en honor a la física pionera Elizabeth Gardner, que, si está presente en vasos, podría cambiar significativamente sus propiedades a bajas temperaturas.
Pero, ¿esta transición de fase, claramente presente en infinitas dimensiones, también existen en tres? En la década de 1980, un equipo de físicos produjo cálculos matemáticos que muestran que no, no pudo. Durante tres décadas, el punto de vista predominante siguió siendo que esta transición, aunque teóricamente interesante, era irrelevante para el mundo real.
Es decir, hasta que experimentos y simulaciones recientes de Charbonneau y otros comenzaron a mostrar indicios de ello en gafas tridimensionales.
"El nuevo impulso para ver esto es que, al atacar el problema de la formación de vidrio, encontraron una transición muy parecida a la que apareció en estos estudios, Charbonneau dijo. "Y en este contexto, puede tener importantes aplicaciones de materiales".
El becario postdoctoral de Duke, Sho Yaida, ha puesto fin a un misterio de hace 30 años sobre la naturaleza del vidrio y los materiales 'desordenados' a bajas temperaturas. De hecho, pueden ser un nuevo estado de la materia, sugiere la investigación. Crédito:Sasha Taylor, Licencia CC-BY-SA-3.0.
Yaida, que tiene experiencia en física de partículas, echó un segundo vistazo a las antiguas pruebas matemáticas. Estos cálculos no lograron encontrar un "punto fijo" en tres dimensiones, un requisito previo para la existencia de una transición de fase. Pero si diera un paso más en el cálculo, el pensó, la respuesta puede cambiar.
Un mes y 30 páginas de cálculos después, lo tenía.
"Momentos como estos son la razón por la que hago ciencia, "Dijo Yaida." Es solo un punto, pero significa mucho para la gente en este campo. Muestra que esta cosa exótica que la gente encontró en los años setenta y ochenta tiene una relevancia física para este mundo tridimensional ".
Después de un año de comprobaciones y nuevas comprobaciones, más otras 60 páginas de cálculos complementarios, los resultados fueron publicados el 26 de mayo en Cartas de revisión física .
"El hecho de que esta transición pueda existir en tres dimensiones significa que podemos empezar a buscarla en serio, ", Dijo Charbonneau." Afecta cómo se propaga el sonido, cuánto calor se puede absorber, el transporte de información a través de él. Y si empiezas a cortar el cristal, cómo cederá, cómo se romperá ".
"Cambia profundamente la forma en que entendemos los materiales amorfos en general, ya sean plásticos amorfos o montones de arena o cristales de ventana, " él dijo.
