El Premio Nobel Giorgio Parisi y la Colaboración Janus. El legado de Giorgio Parisi en la física española
El Premio Nobel de Física de 2021 ha correspondido en un 50% al profesor de la Universidad de Roma “La Sapienza”, Giorgio Parisi, por sus contribuciones al estudio de sistemas desordenados, especialmente los conocidos como Spin Glasses, los vidrios, y la posterior aplicación de estas ideas a campos tan diversos como la materia blanda, la biología o problemas de optimización en informática.
Es precisamente en torno al problema original de los Spin Glasses, el estudio teórico de estos complejos materiales, donde se ha desarrollado la más intensa colaboración con investigadores españoles de la Universidad de Extremadura, la Universidad Complutense de Madrid y la Universidad de Zaragoza.
Esta colaboración arrancó en 1986 con una estancia postdoctoral de Luis Antonio Fernández (UCM), seguida en 1987 con otra de Alfonso Tarancón (Unizar), con G. Parisi como director. En esta época G. Parisi trabajaba especialmente en el estudio de la teórica fundamental de las interacciones nucleares, concretamente en su formulación en la red (Lattice Quantum Chromodynamics) para estudiar las propiedades básicas de las partículas elementales llamadas hadrones (protones, neutrones…). Para ello, impulsó y participó activamente en varios proyectos para la creación de superordenadores dedicados para el estudio de estos sistemas muy demandantes de potencia de cálculo. En este trabajo, ya con L.A. Fernández y A. Tarancón, se obtuvieron las mejores predicciones hasta el momento para la masa de los Hadrones y otras propiedades. También se estudiaron las propiedades del Universo poco después de su creación, cuando estaba tan caliente que todas las partículas elementales estaban disociadas en quarks, y la transición de fase que se produjo cuando se enfrió y pasaron a formarse las partículas que conocemos hoy en día. En la formulación de la QCD en la red las aportaciones teóricas fueron importantes, proponiendo un método para poder incluir los fermiones, casi inabordable hasta ese momento. Se debe señalar la contribución en aquellos años de otro físico de gran relevancia en la física de partículas, Nicola Cabibbo.
También desde 1979 G. Parisi venía trabajando en los sistemas magnéticos desordenados, tanto en sistemas bajo campos magnéticos aleatorios como en spin glasses propiamente. Los Spin Glasses son materiales magnéticos con propiedades misteriosas desde el punto de vista teórico. En su origen, eran metales con una pequeña dilución de átomos magnéticos (Cobre y Manganeso, por ejemplo). Su propiedad principal es que sufren una transición de fase, pero no presentan magnetización, orden en el sentido clásico de la palabra. Encontrar lo que había que medir, las cantidades que nos indican el estado de un spin glass, es una compleja tarea. G. Parisi propuso en el inicio de los años 80 lo que ha sido una de sus contribuciones más significativas: un spin glass no sufre la rotura de un parámetro de orden, como los materiales magnéticos normales, su desorden intrínseco conduce a que tenemos en realidad infinitos parámetros de orden: es lo que se conoce como rotura de la simetría de réplicas (RSB por sus siglas en inglés). Muy coloquialmente podemos decir que si tomamos dos sistemas idénticos y los vamos enfriando, cada uno de ellos evoluciona hacia un estado “congelado” diferente, pudiendo tener infinitos estados diferentes de “congelación”. El parámetro que mide este desorden es conocido como el overlap entre réplicas y se define usando dos sistemas idénticos que han evolucionado de forma diferente.
Además, los resultados teóricos obtenidos en estos exóticos materiales magnéticos, y en particular el concepto de ruptura de la simetría de réplica, fueron claves para que G. Parisi y colaboradores pudieran resolver, ya en el siglo XXI, uno de los problemas abiertos más antiguos de la física teórica, el mecanismo por el cual, un material sin aparente orden estructural (un vidrio) y más parecido a un líquido que a un sólido cristalino, pueda comportarse como un sólido a todos efectos prácticos. Aunque la mayoría de los resultados obtenidos por G. Parisi se obtienen bajo ciertas aproximaciones (conocidas en física como aproximaciones de campo medio, que en este caso se corresponden con asumir la existencia de infinitas dimensiones físicas), es particularmente destacable que la solución propuesta por Parisi es capaz de describir analíticamente también el comportamiento de medios granulares o coloidales realistas a muy alta densidad, prediciendo, por ejemplo, con enorme precisión los exponentes críticos de la llamada transición de jamming incluso a dimensión 2.
Tras los desarrollos teóricos encabezados por G. Parisi, pronto se vio que eran necesarios experimentos numéricos para verificar diferentes hipótesis; en el campo de los vidrios de espin, de hecho, se creó una cierta confusión entre diferentes grupos en torno a algunos resultados, con dos líneas claramente diferenciadas: una de ellas defendía un comportamiento “clásico” de los spin glass (existencia de un solo parámetro de orden o modelo de Droplets) mientras que la otra línea (G. Parisi) defendía una rotura más compleja con infinitos parámetros de orden (RSB). La clarificación de esta polémica, tras muchos esfuerzos teóricos, necesitaba de simulaciones de Monte Carlo de vidrios de Spin, que requerían una potencia de cálculo muy superior a la que podían prestar los ordenadores existentes en la fecha. En el caso de los resultados en vidrios, la solución obtenida por G. Parisi describía una física mucho más rica que la observada previamente en estudios experimentales y teóricos. Los estudios numéricos han sido pues claves para comprobar su validez en modelos realistas de formadores de vidrios.
Tras la vuelta a Madrid y Zaragoza, L.A. Fernández y A. Tarancón continuaron con la colaboración con el grupo de G. Parisi, colaboración que pasó a centrarse completamente en los Spin Glasses. Se estableció una estrecha colaboración para estudiar los vidrios de spin y desarrollar un ordenador dedicado de altas prestaciones. Así nació SUE (Spin Update Engine) que en el año 2000 obtuvo unos primeros resultados muy prometedores en la línea de dar soporte a la hipótesis de RSB. Al superordenador SUE le siguieron otros mejores y más potentes, que pasaron a ser llamados Janus, así como la colaboración de físicos e ingenieros que la formaban, en la que participa G. Parisi. Mostramos una fotografía del Ordenador dedicado Janus I, el penúltimo de la saga.
Esta colaboración se ha nutrido de colaboraciones cada vez más estrechas. Juan Jesús Ruiz Lorenzo (UEx) y poco después Víctor Martín Mayor (UCM) han realizado largas estancias en Roma y han desarrollado importantes trabajos teóricos y numéricos con G. Parisi en aspectos muy complejos que han continuado aportando luz sobre el comportamiento de estos materiales. Otros investigadores españoles participantes han sido David Yllanes y Beatriz Seoane de la UCM, Antonio Gordillo de la UEx, David Iñiguez, Denis Navaro, Carlos López Ullod, Sergio Jiménez, Sergio Pérez-Gaviro, Jorge Monforte, Raquel Álvarez Baños y Javier Moreno Gordo (Unizar). Ha habido un intenso intercambio de doctorandos, jóvenes post-docs, e investigadores entre el grupo de Giorgio Parisi en Roma, y los diferentes grupos españoles, habiéndose, además, codirigido varias tesis doctorales con la Universidad de Roma, recientemente (2015) la de Marco Baity-Jesi, codirigida por G. Parisi y V. Martín-Mayor. Daniele Sciretti y Andrea Maiorano realizaron estancias muy fructíferas en Unizar en los inicios del proyecto Janus.
La implicación de G. Parisi en la colaboración siempre ha sido intensa. De hecho, hay que destacar que tras la obtención en 2007 del Microsoft Award, G. Parisi donó parte del premio económico para continuar con el desarrollo de los ordenadores dedicados para el estudio de los Spin Glasses.
La colaboración Janus también estuvo íntimamente relacionada con la creación del BIFI. De hecho, la línea de ordenadores dedicados y spin glasses es central en el Instituto, así como la presencia de superordenadores, que desembocó en la creación de su CPD y del nodo de la ICTS de la Red Española de Supercomputación en Zaragoza, “CESAR”. También el primer director científico del BIFI fue Enzo Marinari, miembro de la colaboración Janus y principal colaborador de G. Parisi.
Además, más allá del estudio de spin glasses, cabe destacar también la participación de jóvenes investigadores formados en la UCM y en la colaboración Janus (como Marco Baity-Jesi o Beatriz Seoane) en la más joven Colaboración Simons, promovida e integrada también por Giorgio Parisi junto a otros expertos mundiales en el estudio de la transición vítrea. Esta colaboración tiene como objetivo resolver el problema vítreo, pero también la extensión de las ideas afianzadas en el campo de los vidrios a otros problemas actuales como el machine learning.
La producción científica de los investigadores de la colaboración Janus y Simons con G. Parisi es enorme. Numerosas Tesis, intercambio de postdocs, congresos, workshops (de uno de ellos en la UCM mostramos una foto), casi un centenar de artículos científicos, el último de los cuales fue solo de hace unos pocos meses.
En el perfil público de Giorgio Parisi en Google Scholar (https://scholar.google.com/citations?user=TeuEgRkAAAAJ&hl=es) puede verse su producción científica completa, y en el listado de colaboradores la importante presencia de investigadores españoles.
Adjuntamos también la foto de una placa que se le preparó al Prof. Parisi con motivo de su 70 cumpleaños, y que mostraba los nombres de sus colaboradores a lo largo de toda su vida (el tamaño de la letra es función del número de artículos en coautoría). Pueden apreciarse en la misma claramente los nombres de Ruiz-Lorenzo, Martín-Mayor, Fernández, Tarancón, Muñoz-Sudupe, Yllanes, etc …, todos ellos miembros de Janus y estrechos colaboradores de G. Parisi.
También en el plano personal G. Parisi es una persona muy querida. Quiero recordar que en Roma se comentaba que “todo el que trabaja con G. Parisi habla bien de él… por no decir que se enamora de él”.
