MADRID, 6 Oct. (EUROPA PRESS) -
Los aislantes topológicos, materiales que se comportan como aislantes en su interior, pero conducen la electricidad por sus bordes exteriores, son un hito en la física de la materia condensada.
Ahora, un nuevo estudio publicado en la revista 'Science' demuestra que el mismo comportamiento topológico que gobierna estos materiales exóticos impulsa las ondas ecuatoriales, pulsos de agua cálida del océano que juegan un papel importante en la regulación del clima de la Tierra, incluyendo El Niño-Oscilación Sur.
"Estas ondas fueron descubiertas por geofísicos en la década de 1960, pero carecían de una comprensión profunda de por qué existían --dice en un comunicado el coautor del nuevo estudio, Brad Marston, profesor de Física en la Universidad de Brown--. Lo que hemos demostrado es que tienen el mismo origen que las ondas que son importantes en la física del estado sólido: las ondas de electrones que viajan alrededor de los bordes de los aisladores topológicos".
La investigación se inspiró en un tipo especial de aislante topológico que exhibe lo que se conoce como el efecto Hall cuántico, que fue descubierto en 1980. La topología juega un papel esencial en el efecto Hall cuántico, que fue reconocido con el Premio Nobel de Física de 2016 otorgado a un trío de físicos, entre ellos Michael Kosterlitz, de la Universidad de Brown, Estados Unidos.
En el efecto Hall cuántico, un campo magnético hace que los electrones dentro de un material semiconductor viajen en círculos llamados órbitas de ciclotrón. Ese movimiento circular impide que un flujo de electrones --una corriente-- se mueva a través del material, excepto en los bordes exteriores del material. Allí, los electrones sólo pueden completar un semicírculo antes de salir corriendo y golpear contra el borde. Debido a que todos los electrones de un borde dado ejecutan su movimiento en la misma dirección, todos esos semicírculos pueden unirse y formar una corriente de borde. Así, los aisladores topológicos conducen en el exterior y se aíslan en el interior.
IDÉNTICA MATEMÁTICA EN AMBOS FENÓMENOS
Marston y sus colaboradores, Pierre Delplace y Antoine Venaille, de la Universidad de Lyon, en Francia, mostraron que dinámicas análogas están en juego con las ondas ecuatoriales de la Tierra. En el caso de la Tierra, el papel del campo magnético es desempeñado por el efecto de Coriolis, una fuerza aparente causada por la rotación del planeta, que hace que los huracanes giren en direcciones opuestas en los hemisferios norte y sur. El papel del borde es desempeñado por el ecuador, donde la fuerza de Coriolis se rompe.
"En cada uno de los dos hemisferios, está la fuerza de Coriolis empujando en direcciones opuestas --describe Marston--. Eso atrapa las olas en el ecuador de una manera que es muy similar a cómo la corriente en un aislante topológico está atrapada en sus bordes. Mientras que la Tierra no tiene un 'borde' per se, el ecuador es esencialmente los bordes de los dos hemisferios pegados".
La matemática detrás de los dos fenómenos, según demostraron Marston y sus colegas, es esencialmente idéntica. "Si nos fijamos en los últimos documentos de la física del estado sólido en diagramas que describen la dispersión de electrones en un aislante topológico, las parcelas se parecen exactamente al diagrama en un libro de geofísica que representa la dispersión de las ondas ecuatoriales --dice Marston--. Cuando se descubrieron los aisladores topológicos hace una década fue nueva física, pero para nuestra sorpresa la Tierra ha estado haciéndolo todo el tiempo".
La investigación ayuda a explicar la existencia de varios tipos de ondas ecuatoriales. Una de ellas, conocida como la onda de Kelvin ecuatorial, entrega pulsos periódicos de agua caliente a la costa de Sudamérica, que es la oscilación de El Niño. Los resultados también explican cómo estas ondas persisten a pesar de ser golpeadas por las tormentas y el viento cambiante, y cómo pasan directamente por las islas que se podría esperar que hicieran que las olas se dispersaran.
"En los aisladores topológicos, la corriente es capaz de moverse a través de las impurezas en el material como si no estuvieran allí --afirma Marston--. Eso se debe a su naturaleza topológica, y nos ayuda a entender por qué las ondas ecuatoriales y la oscilación de El Niño persisten a pesar de ser empujadas por el tiempo y otros obstáculos".
Además de ayudar a explicar la persistencia de los ciclos de El Niño, Marston cree que esta misma dinámica es probable que se produzca en otras partes del sistema climático, en la atmósfera superior, por ejemplo. A su juicio, reconocer la naturaleza topológica de estos fenómenos podría ayudar a profundizar la comprensión de los científicos de cómo funcionan. "En la práctica, esto nos dará nuevas formas de identificar este tipo de dinámica climática mirando la topología --señala--. Podríamos ser capaces de encontrar y entender las estructuras topológicas que podrían haberse perdido antes".
