Captando los movimientos más íntimos de los átomos

Por vez primera, se ha conseguido ver en detalle átomos individuales manteniéndose separados de otros o reuniéndose en parejas. Las observaciones atómicas con este grado de sensibilidad podrían, entre otras cosas, ayudar a abrir un camino hacia la obtención de superconductores capaces de funcionar como tales a temperatura ambiente.

Si encerramos un gas en un recipiente e intentamos visualizar sus átomos usando los microscopios más potentes de la actualidad, veremos poco más que una mancha oscura. A temperatura ambiente, los átomos se desplazan a velocidades enormes y son difíciles de localizar.

Sin embargo, si estos átomos son enfriados hasta temperaturas ultrabajas, su velocidad disminuye mucho, y entonces hay oportunidades para estudiar cómo pueden formar estados exóticos de la materia, como los superfluidos, los superconductores y los imanes cuánticos.

El equipo de Martin Zwierlein, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ha enfriado ahora un gas de átomos de potasio hasta varios nanokelvins (a una fracción ínfima de grado por encima del Cero Absoluto, la temperatura más baja que permiten las leyes de la física) y los han atrapado dentro de una lámina esencialmente bidimensional (por su mínimo grosor) de una retícula óptica creada por láseres que se entrecruzan. Usando un microscopio de alta resolución, los investigadores tomaron imágenes de los átomos enfriados que residían en la retícula.

Recreación artística del momento en que, por primera vez, los autores de la nueva investigación, vieron átomos individuales alejándose entre sí o reuniéndose en parejas. (Ilustración: Sampson Wilcox)

Examinando las correlaciones entre las posiciones de los átomos en cientos de tales imágenes, el equipo observó átomos individuales interactuando de maneras bastante peculiares, a juzgar por su posición en la retícula. Algunos átomos exhibieron un comportamiento “antisocial” y se mantuvieron alejados de los demás, mientras que algunos se agruparon con orientaciones magnéticas alternas. Otros parecieron adherirse a otros, creando parejas de átomos junto a espacios vacíos, o agujeros.

El equipo de investigación cree que estas correlaciones espaciales podrían aportar datos nuevos y esclarecedores sobre los orígenes del comportamiento superconductor. Los superconductores son materiales notables en los que los electrones se emparejan y viajan sin fricción, lo que significa que no se pierde energía en el recorrido. Si se lograse crear a un costo razonable superconductores que se comportasen como tales a temperatura ambiente, ello podría marcar el inicio de una nueva era en la historia del uso humano de la energía, al permitir a la humanidad disponer de electricidad cuya distribución disfrutaría de una eficiencia del 100 por cien, sin pérdida alguna.

Confirman el aparente hallazgo de una quinta fuerza de la naturaleza

Unos descubrimientos recientes que indican el posible descubrimiento de una partícula subatómica previamente desconocida podrían ser la prueba de que existe una quinta fuerza fundamental de la naturaleza, según una nueva investigación.

Después de tanto tiempo asumiendo que son cuatro las fuerzas fundamentales (gravitación, electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuerte y débil), ahora parece que se ha descubierto una quinta. Si experimentos adicionales confirman su existencia, este descubrimiento cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, con consecuencias para las teorías de unificación de las fuerzas y para las teorías sobre la identidad de la materia oscura, tal como subraya Jonathan Feng, coautor de la citada investigación y profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Irvine, Estados Unidos.

Feng y sus colegas encontraron la pista inicial en un estudio de mediados de 2015, realizado por físicos nucleares experimentales de la Academia Húngara de Ciencias, que estaban buscando “fotones oscuros”, partículas que representarían a la invisible materia oscura, la cual constituye el 85 por ciento de la masa del universo. El trabajo de esos investigadores húngaros puso de manifiesto una anomalía en la desintegración radiactiva que apunta a la existencia de una partícula ligera, que solo sería unas 30 veces más pesada que un electrón.

Esos científicos no pudieron determinar que se tratase de una nueva fuerza. Simplemente vieron un exceso de eventos de partículas que indicaban la acción de una nueva, pero no estaba claro para ellos si era una partícula de materia o una partícula portadora de fuerza.

Si experimentos adicionales lo confirman, este descubrimiento de una posible quinta fuerza cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, en palabras del profesor Jonathan Feng, incluyendo aquello que mantiene compactas a las galaxias.

Feng y sus colegas estudiaron los datos de los investigadores húngaros así como todos los experimentos anteriores en este campo y han llegado a la conclusión de que las evidencias no respaldan la teoría de las partículas de materia ni la de los fotones oscuros. En cambio sí encajan con una nueva teoría que han propuesto y que sintetiza todos los datos disponibles. A la luz de esto, el descubrimiento podría indicar la existencia de una quinta fuerza fundamental.

El trabajo del equipo de Feng indica que en vez de ser un fotón oscuro, la partícula podría ser un “bosón X protofóbico”. La fuerza eléctrica normal actúa sobre electrones y protones, mientras que este bosón recién descubierto interactuaría solo con electrones y neutrones, y en un rango extremadamente limitado.

No existe ningún otro bosón observado que tenga esta misma característica.

¿Es 'Próxima b' el futuro hogar de la humanidad?

Un equipo de astrónomos anuncia el hallazgo de un planeta rocoso similar a la Tierra en nuestra estrella más cercana. Además de ser uno de los descubrimientos astronómicos más impactantes de los últimos años, el anuncio ha disparado la imaginación sobre la posibilidad de llegar hasta allí en un futuro lejano.

El equipo del astrónomo Guillem Anglada-Escudé publica este miércoles en la revista Nature uno de los descubrimientos astronómicos más impactantes y esperados: la existencia de un planeta de tamaño similar a la Tierra en la órbita de la estrella más cercana a nuestro Sistema Solar, a apenas cuatro años luz de distancia de nosotros. A partir de los datos obtenidos desde dos telescopios del Observatorio Europeo Austral (ESO) entre 2000 y 2014 y una serie de observaciones realizadas entre enero y marzo de 2016, los científicos han detectado la presencia de un planeta rocoso, de una masa de 1,3 veces la de la Tierra, que orbita alrededor de la estrella Próxima Centauri.

Lo que lo hace especialmente interesante es que el planeta se mueve en la zona 'templada' de la estrella, en aquella en que quizá sería posible encontrar agua en estado líquido. El planeta, bautizado como Próxima b, da una vuelta a su estrella cada11,2 días y lo hace tan rápido porque está mucho más cerca de lo que estamos nosotros del Sol, a unos 7,5 millones de kilómetros (un cinco por ciento de la distancia que nos separa a nosotros de nuestra estrella). Por otro lado, Próxima Centauri es una enana roja, una estrella fría de la constelación de Centaurus que se encuentra cerca de un par de estrellas mucho más brillantes conocidas como Alfa Centauri A y B.

Lo que lo hace especialmente interesante es que el planeta se mueve en la zona 'templada' de la estrella, en aquella en que quizá sería posible encontrar agua en estado líquido. El planeta, bautizado como Próxima b, da una vuelta a su estrella cada11,2 días y lo hace tan rápido porque está mucho más cerca de lo que estamos nosotros del Sol, a unos 7,5 millones de kilómetros (un cinco por ciento de la distancia que nos separa a nosotros de nuestra estrella). Por otro lado, Próxima Centauri es una enana roja, una estrella fría de la constelación de Centaurus que se encuentra cerca de un par de estrellas mucho más brillantes conocidas como Alfa Centauri A y B.

Aunque Próxima Centauri es mucho más débil que el Sol, el hecho de estar tan cerca hace que el planeta se vea fuertemente afectado por las llamaradas de rayos X y de radiación ultravioleta procedentes de la estrella. “La densidad de flujo magnético de Próxima Centauri sobre este planeta es 600 veces mayor que la del Sol sobre la Tierra, el flujo de rayos X es unas 400 veces más intenso que el que recibe nuestro planeta, y otro tanto ocurre con la radiación ultravioleta que alcanza Próxima b”, explica a Next Carlos Briones, investigador del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y experto en astrobiología. “Es difícil aventurar si en ese entorno de radiación tan extremo la vida podría haberse originado y mantenido”, añade. Y más teniendo en cuenta que se desconoce si Próxima b tiene un campo magnético como el de la Tierra, que le protege de las radiaciones. De lo contrario, las fuertes tormentas harían difícil la proliferación de algún tipo de vida.

Aunque aún falta muchísima información para conocer su Próxima b es potencialmente habitable, sí podemos hacernos una idea del aspecto que tendría este planeta si pudiéramos posarnos sobre su superficie. "El tamaño aparente de su estrella en el cielo sería casi el triple que el nuestro, todo un espectáculo", asegura Miguel Santander, astrónomo y escritor de ciencia ficción. "Se trata de una estrella rojiza y mortecina que apenas emite luz en el espectro visible, de modo que el planeta estaría envuelto, para nuestros ojos adaptados a la vida en la Tierra, en una penumbra constante que las cercanas Alfa Centauri A y B no lograrían deshacer". Por otro lado, al estar tan cerca de la estrella, es probable que Próxima b esté acoplado en su rotación con Próxima Centauri, del mismo modo que lo estamos nosotros con la Luna. Es decir, el planeta ofrecería siempre la misma cara a su estrella, lo que complicaría la habitabilidad del mismo, según Santander, "al estar el lado diurno muy caliente y el nocturno tan frío que, de haber atmósfera, esta podría llegar a congelarse, literalmente". Otra posibilidad interesante es que existiese un cinturón habitable en la frontera entre ambos hemisferios, el frío y el más caliente, aunque por ahora tal posibilidad es pura especulación.

¿Cómo podemos aprender más cosas sobre las características de este mundo tan cercano y prometedor? Si tuviéramos la suerte de que Próxima b transita en algún momento entre su estrella y nosotros (los científicos estiman que solo existen un 1,5% de probabilidades de esto) podríamos utilizar la espectroscopia de transmisión para analizar la composición de su atmósfera y saber más detalles sobre las posibilidades de viajar hasta allí. Con el lanzamiento del telescopio espacial james Webb en 2018, los astrónomos esperan encontrar muchos más exoplanetas en la zona templada de las enanas rojas, lo que permitiría comparar los datos. Las enanas rojas son las estrellas más abundantes de la galaxia, pero solo se han descubierto unos cuantos planetas del tamaño de la Tierra en sus zonas templadas. Como escribe Artie Hatzesen Nature, “si solo una pequeña parte de las enanas rojas tuvieran planetas en su zona templada, nuestra galaxia podría estar bullendo de vida”. Como curiosidad, Próxima Centauri seguirá existiendo muchos cientos de miles de años después de que se extinga nuestro sol, lo que permitiría a cualquier forma de vida existente allí seguir evolucionando mucho después o, quién sabe, a los propios humanos mudarse de barrio dentro de la galaxia si la tecnología nos permite superar la distancia.

De momento, la humanidad se encuentra un poco lejos de llegar hasta un sistema situado a cuatro años luz, lo cual no quiere decir que sea imposible. La sonda más rápida lanzada hasta ahora es la Voyager 1, que se aleja del Sol a una velocidad de 17 km/s. A esa velocidad, recuerda el astrofísico y divulgador Daniel Marín, tardaríamos 74.000 años en llegar a Próxima Centauri. “Usando la tecnología que ya está disponible es posible enviar naves no tripuladas que vayan casi cinco veces más rápido gracias al empleo de velas solares y sobrevuelos cercanos del Sol y Júpiter”, añade. “Evidentemente, no es suficiente, ya que tardaríamos más de 14.000 años en llegar”. Para alcanzar Próxima b hace falta introducir nuevas tecnologías, asegura el astrofísico, como la propulsión mediante velas láser. “En ese caso sería posiblellegar a la estrella más cercana en 20 años”. Ya se ha presentado un proyecto para trabajar en esa vía, aunque todavía nos falta mucho para alcanzar este nivel de desarrollo. “Pero si de lo que hablamos es de enviar personas, me temo que todavía nos queda mucho por delante”, concluye Marín. “Para eso no solo deberíamos desarrollar nuevas tecnologías, sino crearlas casi desde cero (propulsión de antimateria, fusión nuclear, etc.) y ni siquiera sabemos si son factibles”.

Referencia: A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri(Nature) DOI 10.1038/nature19106

Cañones con ríos líquidos en Titán

La sonda espacial Cassini ha encontrado cañones profundos de pendientes pronunciadas en la luna Titán de Saturno, que al parecer están inundados con hidrocarburos líquidos. El hallazgo supone la primera prueba de la presencia de canales llenos de líquido en Titán, así como la primera observación de cañones de cientos de metros de profundidad.

Los autores del estudio han estado analizando minuciosamente los datos de la Cassini obtenidos durante un sobrevuelo realizado por la sonda sobre Titán en mayo de 2013. Durante el sobrevuelo, el instrumento de radar de la Cassini se centró en los canales que se ramifican desde el Mar de Ligeia.

El análisis de las observaciones de la Cassini indica que los canales, en particular una red de ellos llamada Vid Flumina, son cañones estrechos, generalmente de un poco menos de un kilómetro de ancho, con pendientes cuya inclinación supera los 40 grados. Los cañones son también bastante profundos; los medidos miden de 240 a 570 metros, desde arriba hasta el fondo.

Los canales ramificados aparecen oscuros en las imágenes de radar, de forma muy parecida a como lo hacen los mares ricos en metano de Titán. Esto sugirió tiempo atrás que podrían estar también llenos de líquido, pero hasta ahora no se había efectuado una detección directa. Con anterioridad no estaba claro si el material oscuro era líquido o simplemente sedimento saturado.

La misión Cassini-Huygens es una cooperación de la NASA, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Italiana.

Confirman el aparente hallazgo de una quinta fuerza de la naturaleza

Unos descubrimientos recientes que indican el posible descubrimiento de una partícula subatómica previamente desconocida podrían ser la prueba de que existe una quinta fuerza fundamental de la naturaleza, según una nueva investigación.

Después de tanto tiempo asumiendo que son cuatro las fuerzas fundamentales (gravitación, electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuerte y débil), ahora parece que se ha descubierto una quinta. Si experimentos adicionales confirman su existencia, este descubrimiento cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, con consecuencias para las teorías de unificación de las fuerzas y para las teorías sobre la identidad de la materia oscura, tal como subraya Jonathan Feng, coautor de la citada investigación y profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Irvine, Estados Unidos.

Feng y sus colegas encontraron la pista inicial en un estudio de mediados de 2015, realizado por físicos nucleares experimentales de la Academia Húngara de Ciencias, que estaban buscando “fotones oscuros”, partículas que representarían a la invisible materia oscura, la cual constituye el 85 por ciento de la masa del universo. El trabajo de esos investigadores húngaros puso de manifiesto una anomalía en la desintegración radiactiva que apunta a la existencia de una partícula ligera, que solo sería unas 30 veces más pesada que un electrón.

Esos científicos no pudieron determinar que se tratase de una nueva fuerza. Simplemente vieron un exceso de eventos de partículas que indicaban la acción de una nueva, pero no estaba claro para ellos si era una partícula de materia o una partícula portadora de fuerza.

Si experimentos adicionales lo confirman, este descubrimiento de una posible quinta fuerza cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, en palabras del profesor Jonathan Feng, incluyendo aquello que mantiene compactas a las galaxias, como esta espiral llamada NGC 6814. (Foto: ESA/Hubble & NASA; Judy Schmidt)

Feng y sus colegas estudiaron los datos de los investigadores húngaros así como todos los experimentos anteriores en este campo y han llegado a la conclusión de que las evidencias no respaldan la teoría de las partículas de materia ni la de los fotones oscuros. En cambio sí encajan con una nueva teoría que han propuesto y que sintetiza todos los datos disponibles. A la luz de esto, el descubrimiento podría indicar la existencia de una quinta fuerza fundamental.

El trabajo del equipo de Feng indica que en vez de ser un fotón oscuro, la partícula podría ser un “bosón X protofóbico”. La fuerza eléctrica normal actúa sobre electrones y protones, mientras que este bosón recién descubierto interactuaría solo con electrones y neutrones, y en un rango extremadamente limitado.

No existe ningún otro bosón observado que tenga esta misma característica.

Los anillos de Saturno desde la sonda Cassini (Foto del 6 de Agosto de 2016)

Puede existir luz en una forma hasta ahora desconocida

Una nueva investigación sugiere que es posible crear una nueva forma de luz uniendo fotones a electrones individuales, y combinando las propiedades de ambas clases de partículas elementales.

Según los autores de este estudio, del Imperial College de Londres, en el Reino Unido, los fotones y electrones acoplados tendrían propiedades que podrían llevar al desarrollo de circuitos que funcionen con paquetes de luz (fotones) en vez de con electrones.

El acoplamiento también permitiría a los investigadores estudiar fenómenos físicos cuánticos, que gobiernan las partículas más pequeñas que los átomos, en una escala visible.

En los materiales normales, la luz interactúa con toda una serie de electrones presentes en la superficie y dentro de ellos. Pero usando física teórica para modelar el comportamiento de la luz y una clase recientemente descubierta de materiales conocidos como aislantes topológicos, el equipo de Vincenzo Giannini ha encontrado que se podría interactuar con solo un electrón en la superficie, y que el fenómeno estudiado es capaz de permitir que un solo electrón afecte a la conducta de varios cientos de miles de átomos. Ello se traduce en plasmones de superficie, generados por un único electrón, sobre una nanopartícula topológica. Los plasmones son, explicado de modo simple, ondas de electrones que se mueven por la superficie de un metal de modo similar al agua cuando es perturbada en un estanque por la caída de una piedra. En el caso de los plasmones, la perturbación puede ser causada por una fuente electromagnética exterior, como por ejemplo luz.

El fenómeno estudiado en la nueva investigación crearía un acoplamiento que mezclaría algunas de las propiedades de la luz con algunas del electrón. Normalmente, la luz viaja en línea recta, pero estando unida al electrón seguiría en cambio el camino de este, recorriendo la superficie del material.

En el estudio, Giannini y sus colegas modelaron esta interacción alrededor de una nanopartícula, una pequeña esfera de menos de 0,00000001 metros de diámetro, hecha de un aislante topológico.

Sus modelos mostraron que, además de tener a la luz adoptando la citada propiedad del electrón y circulando por la partícula, este tomaría asimismo algunas de las propiedades de la luz.

Normalmente, cuando los electrones viajan recorriendo materiales, como circuitos eléctricos, se detienen si encuentran un defecto. Sin embargo, el equipo de Giannini descubrió que incluso si hubiera imperfecciones en la superficie de la nanopartícula, el electrón aún podría viajar hacia delante con la ayuda de la luz.

Si esto pudiera ser adaptado a los circuitos fotónicos, serían más robustos y menos vulnerables a las alteraciones y las imperfecciones físicas.

Giannini está convencido de que los resultados de este trabajo tendrán una enorme repercusión en la forma en que concebimos la luz. Los aislantes topológicos fueron descubiertos hace pocos años, pero ya están proporcionándonos nuevos fenómenos para estudiar y nuevas formas de explorar conceptos importantes en la física, tal como destaca Giannini.

Las esperanzas de encontrar una nueva partícula se esfuman con los nuevos datos del LHC

Las colaboraciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han presentado más de cien nuevos resultados en la 38ª International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2016), la mayor conferencia anual en física de partículas que se celebra este año en Chicago (EE UU) entre el 3 y el 10 de agosto.

Los resultados más esperados eran los de ATLAS y CMS sobre el 'exceso' visto en los datos del año pasado por ambos experimentos en desintegraciones con pares de fotones en un rango de masas de 750 gigaelectronvóltios (GeV). Se llegó a pensar que podría tratarse de una nueva partícula capaz de revolucionar los pilares de la física, sobre todo si fuera un gravitón, además de mejorar notablemente nuestra comprensión del universo.

Sin embargo, ese exceso desaparece en el conjunto de datos mucho más abundante de 2016 y, por lo tanto, parece ser una simple fluctuación estadística que, casualmente, se produjo en los dos grandes experimentos a la vez.

Tanto ATLAS y CMS han buscado alguna señal de la producción directa de nuevas partículas predichas por la supersimetría y otras teorías de física más allá del modelo estándar pero, de momento, no han aparecido pruebas contundentes de su existencia.

En cualquier caso, los físicos de partículas han presentado grandes cantidades de nuevos datos y las colaboraciones de los experimentos se sumergen ahora realmente en la nueva frontera de la energía de 13 teraelectronvoltios (TeV), tras un primer acercamiento el año pasado a la física en este nivel de energía sin precedentes.

Gracias al excepcional funcionamiento del LHC, los experimentos han acumulado unas cinco veces más datos en 2016 que en 2015 en solo unos meses de operaciones. El LHC sobrepasó su luminosidad prevista en junio, un parámetro que mide el número de colisiones potenciales en un periodo determinado de tiempo. El pico de luminosidad excede con creces los mil millones de colisiones por segundo, por lo que incluso los procesos físicos más inusuales podrían producirse a las mayores energías efectivas.


Así, el LHC está funcionando por encima de las expectativas y el objetivo de conseguir 25 femtobarn inversos de colisiones entre protones para sus experimentos en todo 2016 está a punto de alcanzarse. Un femtobarn inverso corresponde a unos 100 billones (100x1012) de colisiones entre protones. Por su parte, el GRID, la red de computación mundial del LHC, ha sobrepasado de largo récords previos, con más de 25 petabytes (PB) de datos almacenados y procesados desde comienzos de año.

"El LHC ha entrado realmente en un nuevo régimen tras alcanzar su luminosidad nominal, ahora sobrepasada en un 20%", dijo el director del CERN para Aceleradores y Tecnología, Frédérick Bordry. "Es un gran logro, y podemos estar seguros de que sobrepasaremos nuestros objetivos marcados para todo el segundo ciclo de funcionamiento del LHC".

Los físicos han trabajado duro los pasados meses lidiando con la enorme cantidad de datos registrados por los experimentos del LHC. Con un mayor conjunto de datos analizado se pueden hacer medidas más precisas de procesos del modelo estándar, teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, así como búsquedas más sensibles de la producción de nuevas partículas a la mayor energía.

Como ejemplo, el bosón de Higgs, descubierto en 2012, también se ha observado a la energía de 13 TeV con una mayor significancia estadística. Además, los experimentos ATLAS y CMS han realizado nuevas medidas de precisión de procesos del modelo estándar buscando especialmente interacciones anómalas entre partículas con grandes masas, una prueba indirecta pero muy sensible a la física más allá de este modelo.

"Este es uno de los momentos más emocionantes en los últimos años para los físicos, a medida que nos adentramos en serio en lo desconocido: la física de partículas a una energía nunca explorada antes", aseguró Eckhard Elsen, director de Investigación y Computación del CERN.

El experimento LHCb ha presentado también muchos nuevos e interesantes resultados en el campo de la física del sabor. Un resultado destacado es el descubrimiento del llamado modo de desintegración B0->K+K-, el más inusual observado hasta la fecha en los mesones B desintegrándose en un estado final hadrónico, así como búsquedas de violación CP con una sensibilidad sin precedentes, fenómeno que explicaría la preferencia de la naturaleza por la materia sobre la antimateria.

LHCb también ha realizado medidas que podrían ayudar a revelar algunos fenómenos nuevos, como la primera medida de la polarización del fotón en las desintegraciones radiactivas de los mesones Bs y las determinaciones de las secciones eficaces de varios procesos clave a la energía de colisión de 13 TeV, algunas de las cuales, a primera vista, están en desacuerdo con las predicciones actuales.

Los cuatro experimentos principales han ofrecido resultados sobre colisiones de iones pesados en el LHC. La colaboración ALICE ofrece nuevas medidas de las propiedades del plasma de quarks y gluones, el estado de la materia que existió instantes después del Big Bang. Los físicos de ALICE estudian cómo se modifican las fuerzas nucleares en este estado primordial de la materia. Los investigadores también han medido la viscosidad del plasma a esta nueva energía, mostrando que fluye casi como un fluido perfecto, un comportamiento que también se observó a energías más bajas.

"Estamos solo al comienzo del camino", declaró la directora general del CERN, Fabiola Gianotti. "El excelente funcionamiento del LHC, los experimentos y su red de computación, ofrecen muy buenos presagios para una exploración detallada de la escala de energía de los teraelectronvoltios, así como un importante avance en nuestra comprensión de la física fundamental". (Fuente: CPAN)

Demuestran el arrastre de carga entre puntos cuánticos

Una colaboración entre el IFISC (España) y la Universidad de Stanford (EE.UU.) ha conseguido demostrar por primera vez el proceso de arrastre correlacionado de electrones entre dos puntos cuánticos. Un punto cuántico es un sistema de medida manométrica donde los electrones se encuentran confinados entre las tres dimensiones espaciales. Cuando dos puntos cuánticos se ponen muy juntos y sólo uno de ellos se conecta a una fuente de corriente eléctrica aparece una corriente de arrastre al otro punto, como consecuencia de la repulsión electrónica entre los electrones.

La comprobación experimental de este efecto y el modelo teórico que lo explica se ha publicado en un trabajo conjunto de la prestigiosa revista Physical Review Letters, que lo ha seleccionado como “Editor’s suggestion”. Sólo uno de cada seis artículos recibe esta distinción, que se da a los artículos más importantes e interesantes. Como tal, aparece destacado tanto en la página web de la revista como la edición en papel.

Para conseguir el régimen cuántico los investigadores han tenido que bajar de manera considerable la temperatura, muy cerca del cero absoluto (-273 grados Celsius). Se ha demostrado que a esta temperatura se producen movimientos correlacionados de electrones que implican un intercambio de energía entre ambos puntos cuánticos. El efecto de arrastre se había observado en materiales como el grafeno, los hilos cuánticos y ahora también en puntos cuánticos.

Lo que hace único a los puntos cuánticos es que se han propuesto como uno de los posibles elementos básicos dentro del campo de la computación cuántica. Este estudio permitirá poner un límite a la densidad de empaquetamiento de los circuitos nanoelectrónicos y abre la puerta a investigaciones más detalladas sobre las propiedades de detección de sensores cuánticos de carga. Desde un punto de vista de la física fundamental, los resultados obtenidos son clave para avanzar en la comprensión de la dinámica cuántica de partículas que interactúan entre sí.

En este trabajo han participado los investigadores del IFISC David Sánchez y Rosa López; A. J. Keller, S. Amasha y D. Goldhaber-Gordon de la Universidad de Stanford; J. S. Lim del Instituto Coreano por Estudios Avanzados; J. A. Katine del HGST de San José (Estados Unidos) y Hadas Shtrikman del Instituto Weizmann de Ciencia de Israel. (Fuente: IFISC)

¿Es la vida de la Tierra un fenómeno prematuro en el universo?

El universo tiene 13.800 millones de años, mientras que nuestro planeta se formó hace apenas 4.500 millones. Algunos científicos creen que este intervalo implica que la vida en otros planetas podría ser miles de millones de años más antigua que la nuestra. Sin embargo, un nuevo trabajo teórico sugiere que nuestra vida actual es en realidad prematura, desde una perspectiva cósmica. Teniendo en cuenta esto, la civilización humana quizá es la más antigua del universo.

“Si nos preguntamos, ‘¿Cuándo es más probable que surja la vida?’, podríamos responder ingenuamente que ‘Ahora’”, explica Avi Loeb, coautor del estudio. “Pero encontramos que la probabilidad de que aparezca vida crece mucho más en el futuro lejano”.

La vida tal como la conocemos comenzó a ser posible unos 30 millones de años después del Big Bang, cuando las primeras estrellas sembraron el cosmos con los elementos necesarios, como el carbono y el oxígeno. Según algunas estimaciones, la vida (o al menos la dependiente de condiciones ambientales naturales) finalizará dentro de 10 billones de años, cuando las últimas estrellas se apaguen y mueran.

El equipo de Loeb, del Centro para la Astrofísica (CfA) en Cambridge, Massachusetts, gestionado conjuntamente por la Universidad Harvard y el Instituto Smithsoniano, todas estas entidades en Estados Unidos, calculó la evolución de la probabilidad relativa de la vida entre estos dos extremos temporales.

El factor dominante resultó ser el tiempo de vida de las estrellas. Cuanto mayor es la masa de una estrella, más corta es su vida. Las estrellas con una masa tres veces superior a la de nuestro Sol expirarán antes de que la vida tenga la oportunidad de desarrollarse.

Esta ilustración muestra a una estrella enana roja orbitada por una pareja de planetas habitables. Dado que las estrellas de este tipo tienen una existencia tan larga, la probabilidad de vida en mundos a la distancia correcta de ellas crece conforme pasa el tiempo. Como resultado, la vida terrestre podría ser considerada “prematura”. (Foto: Christine Pulliam (CfA))

En cambio, las estrellas más pequeñas pesan menos del 10 por ciento de la masa solar. Brillarán, según las estimaciones citadas, durante 10 billones de años, dando a la vida un amplio margen para surgir en algunos de los planetas a su alrededor. Como resultado de ello, la probabilidad de vida crece con el paso del tiempo. De hecho, las probabilidades de que aparezca vida son 1.000 veces más altas en el futuro distante que ahora.

Pero si es mil veces más probable la aparición de vida en el futuro que ahora, y las enanas rojas promueven más este fenómeno que las demás, ¿por qué existimos aquí y ahora?

Una posibilidad es que las enanas tengan una faceta perjudicial para la vida, capaz de contrarrestar su faceta buena. Si no es ese el caso, entonces habrá que admitir que la vida en la Tierra es un acontecimiento pionero en el cosmos.

Los agujeros negros podrían tener una salida

Uno de los grandes problemas que se plantean cuando se estudia un agujero negro es que las leyes de la física dejan de tener sentido en sus regiones más profundas. Ese lugar, en el que se concentran grandes cantidades de masa y energía, recibe el nombre de ‘singularidad’, y en él el espacio-tiempo se curva hasta el infinito destruyendo toda la materia.

O tal vez no, según se desprende del trabajo presentado por un grupo de científicos del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València, en España.

Estos físicos proponen analizar la singularidad de estos objetos como si se tratase de una imperfección en la estructura geométrica del espacio-tiempo, resolviendo así el problema del infinito en el centro del agujero negro.

La investigación analiza los agujeros negros utilizando teorías más allá de la relatividad general, la teoría de Einstein que describe la gravedad y predice la existencia de estos objetos. El nuevo enfoque aplica estructuras geométricas similares a las de un cristal o una lámina de grafeno.

“Este tipo de geometrías se adapta mejor a lo que sucede en un agujero negro. Igual que los cristales tienen defectos e imperfecciones en su estructura microscópica, la zona central de un agujero negro se puede interpretar como una anomalía del espacio-tiempo, lo que requiere nuevos elementos geométricos para poder dar una descripción más precisa”, explica Olmo. “Exploramos todas las opciones posibles y nos inspiramos en hechos observados en la naturaleza”, justifica.

Al unir la gravedad con este tipo de geometrías, los investigadores obtienen una descripción de los agujeros negros donde el punto central se convierte en una superficie esférica de área mínima que interpretan como la existencia de un agujero de gusano –atajo a través del espacio y el tiempo– dentro del propio agujero negro.

“Así resolvemos el problema de la singularidad, puesto que existe una ‘puerta’ en el centro del agujero negro, el agujero de gusano, por la que espacio y tiempo pueden continuar”, afirma Olmo.

Los investigadores trabajan con uno de los tipos más sencillos de agujero negro, que no gira pero tiene carga eléctrica. El agujero de gusano que predicen las ecuaciones en su centro es más pequeño que un núcleo atómico, pero es mayor cuanto mayor sea la carga que almacena el agujero negro. Así, un hipotético viajero que entrase en un agujero negro de este tipo sufriría un fortísimo estiramiento al acercarse al centro que le daría un aspecto similar a un espagueti y le permitiría entrar en el agujero de gusano y escapar del agujero negro.

Vistas desde fuera, estas fuerzas de estiramiento y compactación parecerían infinitas, pero el propio viajero, al vivirlo en primera persona, ‘solo’ experimentaría fuerzas extremadamente intensas sin llegar a ser infinitas.

Es improbable que el protagonista de Interstellar pudiera sobrevivir a un viaje así, pero, según el modelo propuesto por los investigadores del IFIC, la materia no terminaría perdida dentro de la singularidad del agujero negro, sino que sería expulsada a otra región del universo por el agujero de gusano de su centro.

Otro problema que se resuelve con esta interpretación, según Olmo, es la necesidad de usar fuentes de energía ‘exóticas’ para generar agujeros de gusano. En la teoría de la gravedad de Einstein, estas ‘puertas’ solo aparecen en presencia de materia con propiedades inusuales –una presión o densidad de energía negativas– que nunca ha sido observada.

“En nuestra teoría, los agujeros de gusano aparecen a partir de materia y energía ordinarias, como puede ser un campo eléctrico”, asegura el investigador.

El interés en los agujeros de gusano para la física teórica va más allá de generar ‘túneles’ en el espacio-tiempo para conectar dos lugares del universo. También ayudarían a explicar fenómenos como el entrelazamiento cuántico o la naturaleza de las partículas elementales.

Gracias a esta nueva interpretación, la existencia de estos objetos podría ser un poco más de este universo y un poco menos de ciencia-ficción. (Fuente: CSIC)

Predicen la existencia de nuevas partículas cuánticas

Un equipo internacional de investigadores liderado por un grupo de la Universidad de Princeton (EEUU) y que ha contado con la colaboración de investigadores del Donostia International Physics Center (DIPC) (España) y del Instituto Max Planck de Química Física de Sólidos (Alemania), predice la existencia en algunos materiales de varios tipos de partículas cuánticas hasta ahora desconocidas.

Estas nuevas partículas poseen unas propiedades electrónicas que, a diferencia de otro tipo de partículas en cristales convencionales, están protegidas por la simetría interna del cristal, y se espera que presenten propiedades de transporte exóticas e interesantes.

El trabajo, publicado en la revista Science, supone la apertura de una nueva vía de estudio de la física de los llamados 'materiales topológicos', unos elementos en auge por sus especiales propiedades electrónicas, y cuyo descubrimiento hace unos pocos años ha modificado el modo en el que se entienden los estados de la materia.

La topología es la rama de las matemáticas que estudia qué propiedades de los cuerpos geométricos no cambian cuando los deformamos de manera suave. Siguiendo con esa analogía, los materiales topológicos son aquellos cuyas propiedades están definidas o ‘protegidas’ por la propia estructura y simetría del material o cristal, de tal forma que si no se modifica dicha estructura no es posible cambiar estas propiedades.

En este estudio los investigadores afirman que los materiales en los que aparecen las nuevas partículas predichas, son en muchos casos metales protegidos topológicamente. Es decir, son metales con una conductividad eléctrica muy robusta, que no se vuelven aislantes bajo prácticamente ninguna circunstancia.

Las nuevas partículas predichas pertenecen al grupo de los llamados fermiones, caracterizados por tener un espín o momento de giro intrínseco semientero, igual que los electrones. Hasta hace poco se pensaba que se habían descubierto y clasificado todos los tipos de fermiones posibles en la naturaleza, incluidos los tres tipos sin hueco, unas partículas cuánticas exóticas que no tienen salto de energía entre los estados ocupados y los libres, lo que supone que pueden transportar corriente.

La física de la materia condensada había permitido observar experimentalmente en cristales estos tipos de fermiones, sin necesidad de grandes aceleradores de partículas y altas energías. Ahora habrá que añadir a la lista unos cuantos más.

En este trabajo no solamente han predicho la existencia de nuevos tipos de partículas cuánticas en sólidos, sino que además han desarrollado un método sistemático y muy sencillo para predecir y encontrar metales en la naturaleza, según la investigadora Maia G. Vergniory, Fellow Gipuzkoa del DIPC.

Las posibles combinaciones de materiales posibles son infinitas, y uno no puede permitirse el ir construyéndolas y probándolas en un laboratorio todas una a una. Hasta ahora, la alternativa pasaba por realizar cálculos teóricos detallados de su estructura electrónica.

Pero, según Vergniory, es posible "contar los electrones del cristal, y basándonos en su estructura y simetría, deducir si vamos a encontrar y observar uno de estos fermiones y si estamos ante un metal protegido o no". Precisamente la simetría del cristal es la clave para entender estas nuevas partículas cuánticas.

La combinación entre simetría, topología y ciencia de materiales, tal y como se ha visto en la predicción de las nuevas partículas, es probable que juegue un papel fundamental en la comprensión de los materiales topológicos, tanto metales como aislantes.

Los investigadores imaginan un futuro para la química-física cuántica en la que a partir de la fórmula química de un material, con solo mirar la simetría del cristal y contar los electrones de los elementos que componen ese material, y sin cálculos, se pueda saber si el material es un aislante topológico o metal protegido.

El campo de los materiales topológicos es uno de los campos más candentes y con mayor proyección de la física de materiales, del que se esperan grandes avances conceptuales y técnicos. (Fuente: Donostia International Physics Center (DIPC))

Astrónomos determinan un método para calcular la masa de los agujeros negros supermasivos

Conocer la masa de estos objetos, que están presentes incluso en nuestra Vía Láctea, es fundamental para entender cómo afectan la galaxia en la que viven y al medio intergaláctico. Paulina Lira, académica del Departamento de Astronomía (DAS) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas y Julián Mejía, estudiante del doctorado en ciencias mención astronomía del mismo Departamento, son parte del grupo internacional de astrónomos, que ha logrado determinar la manera más exacta y confiable de estimar las masas de estos objetos en galaxias activas.

Los agujeros negros son unos de los grandes misterios de nuestro Universo, aun cuando decenas de científicos han elaborado teorías para explicar su origen y comportamiento. Pero si se habla de un agujero negro supermasivo, con una masa de miles de millones de soles y una gravedad inimaginable, el misterio es todavía mayor.

Hasta ahora, los expertos han llegado al consenso que cada galaxia – incluso nuestra Vía Láctea- contiene uno de estos objetos gigantes en su centro. Por lo tanto, conocer su masa es fundamental para determinar cómo y cuánto influyen en su entorno.

Paulina Lira, académica del Departamento de Astronomía (DAS) de la FCFM de la Universidad de Chile y coautora del estudio, explica que cuando los Agujeros Negros están inactivos ellos pueden afectar gravitacionalmente el material cercano en una región casi insignificante. Pero cuando se “activan” pueden el consumir material de su entorno, y su efecto puede ser sentido a distancias enormes. “El material que cae hacia el agujero forma un disco o remolino incandescente que puede brillar tanto como todas las estrellas de la galaxia juntas. Esta es una enorme cantidad de energía liberada. Y no sólo se libera radiación. Desde el remolino también se expulsan energéticos chorros de material que viajan a velocidades cercanas a la de la luz y que pueden recorrer la extensión total de la galaxia y todavía más allá. Estos chorros generalmente calientan el medio ambiente galáctico previniendo la formación de estrellas”, explica.

Un grupo internacional de astrónomos ha logrado determinar la manera más exacta y confiable de estimar las masas de estos objetos en galaxias activas (galaxias con agujeros negros supermasivos que se encuentran “consumiendo” materia), usando la información que proviene del gas cercano al agujero.

Julián Mejía, autor principal de la investigación y estudiante del doctorado en ciencias mención astronomía del Departamento de Astronomía FCFM U. de Chile, explica que “las galaxias activas se caracterizan por tener un disco de materia que emite una gran cantidad de energía y que está a su vez alimentando de materia al agujero negro (tal como sucede en la película Interestelar). A su alrededor se forman unas nubes de gas que son iluminadas por este disco incandescente y de las cuales es posible, mediante el análisis de sus espectros, estimar su velocidad y distancia al agujero negro. Al combinar esta información se puede derivar la masa”.

El científico aclara que el principal hallazgo fue que las masas estimadas se vuelven más confiables entre más lejano se encuentre el material del disco. “Una posible explicación de esto es que las nubes más cercanas son más propensas a ser perturbadas por material que proviene del disco en forma de vientos”, asegura.

La masa de los agujeros negros supermasivos es de 10 a 1000 millones de veces la masa del Sol y los astrónomos aún no logran descifrar cómo lograron crecer tanto. “Para reconstruir su evolución en el tiempo necesitamos mirar regiones distantes del Universo y medir masas de la forma más exacta posible y así determinar cómo crecieron. Y no sólo eso. Actualmente los agujeros muestran una correlación entre sus masas y las masas de sus galaxias. Típicamente un agujero negro tiene una masa que corresponde a un 1% de la masa de su galaxia. ¿Cómo se estableció esta correlación? ¿En qué momento en la vida del Universo se dio por primera vez? Esas son preguntas que todavía no podemos responder y como primera herramienta para hacerlo necesitamos medir las masas tanto de las galaxias como las de sus agujeros. El trabajo que estamos publicando mira en detalle los métodos para hacer esto con exactitud”, explica la astrónoma de la U. de Chile e investigadora del Centro de Astrofísica CATA.

Los resultados fueron obtenidos gracias al uso, durante 80 horas, del instrumento X-Shooter del telescopio VLT ubicado en la región de Antofagasta, y fueron publicados en la última edición Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

La investigación continuará estudiando cómo las masas del agujero negro, su rotación intrínseca y la tasa a la que éste devora materia, determinan las propiedades del material circundante. (Fuente: UCHILE/DICYT)

Asombrosa técnica para determinar con mayor precisión sucesos en el tiempo

Digamos que estamos intentando identificar cuándo acaeció un suceso antiguo en particular, pero que nuestra mejor estimación lo sitúa solo dentro de un abanico de 10.000 años. Y ahora imaginemos que algo pudiera reducir esa ventana del “cuándo” a apenas 30 años.

Ese algo parece que ya existe y tiene esta potencia de resolución temporal. Se trata de una nueva herramienta matemática diseñada y probada por un equipo internacional de científicos, integrado, entre otros, por Abbas Ourmazd y Russell Fung, de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee en Estados Unidos, así como Robin Santra y Oriol Vendrell, del Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY, por sus siglas en alemán).

La herramienta, un algoritmo de aprendizaje automático, reduce las incertidumbres de datación durante sucesos cambiantes, mejorando la precisión en un factor de hasta 300.

Podría tener numerosas aplicaciones, desde datar con mejor precisión sucesos pasados de cambio climático a determinar cuándo se forman o se rompen los enlaces moleculares durante reacciones químicas que duran solo unas pocas milbillonésimas de segundo.

La incertidumbre en la datación ha sido toda una pesadilla en muchas áreas de la ciencia desde siempre. Tenemos a menudo datos, pero no dataciones razonablemente concretas para ellos.

Los investigadores construyeron el algoritmo extrayendo una débil “flecha del tiempo” de datos “ruidosos” con dataciones temporales corrompidas. Pensemos en ello como restaurar la secuencia inicial de una baraja de cartas después de que haya sido barajada.

El espacio, la última frontera

Hace cincuenta años, el capitán Kirk y la tripulación de la nave estelar Enterprise comenzaron su viaje al espacio: la última frontera. Ahora que la última entrega de la saga Star Trek llega a los cines, es el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA quien explora nuevas fronteras, observando lejanas galaxias en el cúmulo Abell S1063 dentro del programa Frontier Fields.

El espacio, la última frontera. Estos son los relatos del telescopio espacial Hubble, que continúa su misión de exploración de mundos desconocidos, hasta alcanzar lugares donde ningún otro telescopio ha podido llegar.

El último objetivo de la misión Hubble es el lejano cúmulo de galaxias Abell S1063, que podría albergar miles de millones de mundos desconocidos.

Esta vista del cúmulo, que aparece en el centro de la imagen, lo muestra tal y como era hace 4.000 millones de años. No obstante, Abell S1063 nos permite remontarnos aún más atrás, hasta alcanzar épocas a las que ningún otro telescopio ha podido llegar. La gran masa del cúmulo distorsiona y magnifica la luz de las galaxias situadas detrás, debido a un efecto denominado lente gravitacional. Así, Hubble puede ver galaxias que, de lo contrario, resultarían demasiado tenues para su observación, permitiéndonos buscar y estudiar la primera generación de galaxias en el Universo. Como diría un famoso vulcano: “¡Fascinante!”

Los primeros resultados de los datos sobre Abell S1063 prometen nuevos descubrimientos de envergadura. De hecho, ya se ha conseguido observar una galaxia tal y como era tan solo mil millones de años tras el Big Bang.

Los astrónomos también han identificado por detrás del cúmulo dieciséis galaxias cuya luz se ve distorsionada por él, haciendo que su imagen aparezca multiplicada en el firmamento. Esto ayudará a los astrónomos a mejorar sus modelos de distribución tanto de materia común como de materia oscura en el cúmulo de galaxias, dado que es la gravedad la que provoca estos efectos de distorsión. Estos modelos resultan clave para comprender la misteriosa naturaleza de la materia oscura.

Abell S1063 no es el único cúmulo en curvar la luz de las galaxias situadas por detrás, ni constituye la única lente cósmica gigante que se está estudiando gracias a Hubble. Dentro del programa Frontier Fields ya se han observado otros tres cúmulos y en los próximos años se observarán dos más, ofreciendo a los astrónomos información fundamental sobre su funcionamiento y qué se encuentra dentro y más allá de ellos. Los datos recopilados en anteriores cúmulos de galaxias han sido estudiados por equipos de todo el mundo, permitiendo realizar importantes descubrimientos, como galaxias que existían apenas cientos de millones de años tras el Big Bang (heic1523) o la primera aparición predicha de una supernova con lente gravitacional (heic1525).

Esta colaboración internacional a gran escala habría llenado de orgullo a Gene Roddenberry, el padre de Star Trek. En el mundo de ficción creado por Roddenberry, una variopinta tripulación trabajaba codo a codo para explorar el Universo de forma pacífica. Este es un sueño que el programa Hubble ha conseguido hacer realidad en parte, ya que en él colaboran la Agencia Espacial Europea (ESA), con la participación de 22 Estados miembros, y la NASA, para manejar uno de los instrumentos científicos más sofisticados del mundo. Por no hablar de los innumerables equipos internacionales que cruzan todo tipo de fronteras para lograr sus objetivos científicos. (Fuente: ESA)

A un paso de demostrar la radiación de Hawking

En los años 70, el astrofísico Stephen Hawking predijo que las cercanías de un agujero negro podría emitir espontáneamente pares de partículas. Según su teoría, una de ellas sería tragada por el agujero pero la otra escaparía hacia fuera, lo que un observador externo vería como una emisión espontánea de radiación por parte del agujero.

“El problema es que esa emisión es muy débil. Si asociamos una temperatura a este espectro, sería muy pequeña, por lo que detectarla es una tarea casi imposible”, admite Juan Ramón Muñoz de Nova, investigador del departamento de Física de Materiales de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en España, y del Instituto Tecnológico de Israel (Technion).

Científicos de todo el mundo llevan décadas tratando de imitar este fenómeno en el laboratorio, con fibras ópticas, anillos de iones, polaritones –partículas híbridas de luz y materia– o condensados de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés), que son gases de átomos fríos con el mismo estado cuántico.

“La ventaja de los condensados es que su temperatura es muy baja, por lo que se puede estudiar mejor la emisión del análogo de la radiación de Hawking”, destaca Muñoz. “Además, se saben manipular bastante bien y se entiende muy bien cómo funcionan las excitaciones del sistema (fonones), que son el análogo de las ondas sonoras”, añade.

Con esta simulación, el sonido queda atrapado en una región supersónica de la misma manera que las partículas lo hacen en un agujero negro.

En un estudio publicado en New Journal of Physics, el físico, junto a Fernando Sols e Ivar Zapata, también investigadores de la UCM, ha puesto a prueba dos criterios teóricos que tratan de detectar la presencia de esta radiación.

El primero, desarrollado por los propios autores, revela que se pueden medir violaciones de ciertas desigualdades matemáticas producidas por la emisión espontánea de radiación del agujero negro acústico.

“Demostramos que dichas violaciones son únicamente atribuibles a la emisión espontánea de radiación y que no pueden deberse ni a la radiación térmica ni a las ondulaciones de la función de onda del propio condensado”, afirma el físico.

El segundo de los criterios, diseñado por científicos italianos, se basa en detectar el entrelazamiento cuántico de los fonones, algo que existiría tras la emisión espontánea de radiación. “En situaciones típicas, ambos criterios son equivalentes desde el punto de vista teórico. Sin embargo, en el laboratorio, solo pueden detectarse las violaciones de cierto tipo de desigualdades”, puntualiza el investigador.

El siguiente paso ahora es probar estas técnicas teóricas en el laboratorio, algo que el científico español está llevando a cabo en Israel junto a un grupo experimental del Instituto Technion. El director del equipo, Jeff Steinhauer, ha publicado un artículo en ArXiv donde afirma haberlo conseguido, un trabajo que, en estos momentos, está pendiente de revisión.

“De confirmarse, supondría un hito a nivel mundial pues sería la primera observación hasta la fecha de la emisión espontánea de radiación de Hawking”, avanza Muñoz. (Fuente: Universidad Complutense de Madrid)

¿Entrelazamiento cuántico observable a ojo desnudo?

Incontables experimentos han confirmado las predicciones de la física cuántica, pero ninguno ha permitido aún detectar directamente a ojo desnudo el efecto físico cuántico del entrelazamiento. Esto debería ser ahora posible gracias a un experimento propuesto por unos científicos en Suiza, el cual podría abrir el camino hacia nuevas aplicaciones en física cuántica.

La física cuántica tiene más de 100 años, pero incluso hoy en día sigue despertando extrañeza y asombro. Esto se aplica, por ejemplo, al entrelazamiento cuántico, un fenómeno físico que puede ser observado entre átomos o fotones (partículas de luz): cuando dos de estas partículas están entrelazadas cuánticamente, el estado físico de ambas ya no puede ser descrito independientemente aunque estén separadas en el espacio, sino que debe considerarse el sistema total que forman juntas.

A pesar de esta peculiaridad, los fotones entrelazados forman parte del mundo real, como ha sido probado en muchos experimentos. Y sin embargo, nadie ha observado directamente fotones entrelazados. Esto es debido a que solo se puede producir uno o pocos fotones entrelazados con la tecnología disponible, y esta cantidad es demasiado baja para que el ojo humano pueda percibirlos como luz.

Nicolas Sangouard, un físico teórico de la Universidad de Basilea en el país helvético, junto con dos físicos cuánticos de Delft, Países Bajos, e Innsbruck, Austria, han mostrado ahora que podría ser posible detectar a simple vista fotones entrelazados cuánticamente. La idea básica del experimento es que se genere un fotón entrelazado cuánticamente y que después sea amplificado usando una técnica especial, sin destruir el entrelazamiento cuántico.

Una fuente (punto verde) produce parejas de fotones. Uno de cada par es emitido hacia arriba; el otro es dirigido hacia un espejo semitransparente (círculo negro) donde es reflejado y transmitido simultáneamente. El fotón existe en dos estados entrelazados (simbolizados por la figura amarilla en forma de ocho). El fotón es después detectado por un detector (parte superior derecha) o por el ojo de un observador humano (parte inferior derecha). Para que los fotones sean detectables por el ojo humano, son amplificados por rayos láser (las cajas con el símbolo del triángulo amarillo). (Ilustración: Valentina Caprara Vivoli)

En el proceso se hallan presentes unos 100 fotones entrelazados cuánticamente que, según lo que se sabe actualmente, es el número mínimo necesario para crear la impresión de luz en el ser humano. Pero aunque cientos de fotones alcancen la retina, también se producen pérdidas notables: solo unos siete alcanzan realmente uno de los 120 millones de células en forma de bastoncillo detectoras de luz de la retina. Estos fotones generan entonces el impulso nervioso que desencadena la percepción de luz en el cerebro.

En el experimento propuesto por los tres físicos cuánticos, el entrelazamiento es creado por un único fotón dirigido hacia un espejo semitransparente. El fotón individual no es transmitido o reflejado por el espejo; al contrario (la física cuántica es extraña), el fotón es transmitido y reflejado simultáneamente. A uno y otro lado del espejo, el fotón existe al mismo tiempo en un estado “transmitido” y “reflejado”, en el cual estos dos estados están entrelazados entre sí.

Descubierto un nuevo efecto cuántico de la interacción entre la luz y la materia

Un estudio realizado por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España, y publicado en Physical Review Letters revela un nuevo efecto cuántico que se produce cuando interactúan la luz y la materia.

Se trata de un fenómeno que se produe en los semimetales de Weyl y de Dirac (análogos tridimensionales del grafeno), y que podría ayudar en el diseño de nuevos aparatos de alta frecuencia que interconecten dispositivos electrónicos con otros luminosos.

“Hemos visto que cuando el material se ilumina con luz circularmente polarizada los electrones presentes en la superficie rotan de forma sincronizada con la radiación. Este efecto es una nueva manifestación de la mecánica cuántica a nivel macroscópico”, explica el investigador del CSIC Rafael Molina, del Instituto de Estructura de la Materia.

El fenómeno descrito consiste en una corriente rotatoria mantenida con una orientación determinada en la superficie del material, en la que el número de electrones que contribuyen a esa corriente crece en función del tamaño del área expuesta a la radiación. De forma similar a lo que ocurre en un material superconductor, la corriente no se disipa. Además, es inmune a los defectos en la composición y la estructura del material.

“La cantidad de información por unidad de tiempo que pueda transportar una corriente depende justamente de la frecuencia a la que actúe. Hay un gran interés, por tanto, en incrementar la frecuencia a la que pueden funcionar los aparatos electrónicos que actualmente está bastante lejos de las frecuencias típicas de la luz", apunta el investigador.

"Este tipo de efecto podría ser muy útil para nuevos dispositivos que pudieran funcionar a mayor frecuencia; y también para aparatos que hicieran de interconexión entre dispositivos electrónicos y dispositivos luminosos”, concluye Molina. (Fuente: CSIC)

¿Están los neutrinos en superposición cuántica permanente?

En el mundo de las partículas cuánticas, infinitesimalmente pequeñas, abundan los comportamientos extraños y que a menudo desafían a la lógica común. Quizá el más raro de ellos es la superposición cuántica, en la que los objetos pueden existir simultáneamente en dos o más estados aparentemente contradictorios. Por ejemplo, según las leyes de la mecánica cuántica, los electrones pueden girar tanto en el sentido de las manecillas del reloj como en el contrario, o estar tanto en reposo como excitados, todo al mismo tiempo.

El físico Erwin Schrödinger popularizó algunas consecuencias extrañas de la idea de la superposición cuántica hace más de 80 años, con su célebre experimento imaginario en el que se coloca a un gato en una caja atrapado junto a una fuente radiactiva y que, hallándose en un estado de superposición cuántica, acaba estando muerto y a la vez vivo, siguiendo el extraño dictado de las leyes de la mecánica cuántica. Desde entonces, los científicos han demostrado que las partículas pueden efectivamente estar en superposición, a escalas subatómicas, cuánticas. Pero aún sigue abierta la pregunta de si tales fenómenos extraños pueden ser observados en objetos grandes, como los de nuestra vida cotidiana.

El equipo de David Kaiser, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, Estados Unidos, ha llegado a la conclusión de que las partículas subatómicas llamadas neutrinos pueden estar en superposición cuántica, careciendo de identidades individuales, cuando viajan cientos de kilómetros. Si son correctos, sus resultados representarían la mayor distancia sobre la que se haya probado la mecánica cuántica hasta la fecha.

El equipo analizó datos sobre las oscilaciones de los neutrinos, partículas subatómicas que interactúan de forma extremadamente débil con la materia, atravesando nuestros cuerpos miles de millones de veces por segundo sin ningún efecto, y a menudo atravesando la Tierra entera sin ser interceptadas. Los neutrinos pueden oscilar, o cambiar entre varios “sabores” diferentes, mientras viajan a través del universo a una velocidad próxima a la de la luz.

Los investigadores obtuvieron los datos del MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), un experimento en el Fermilab, en Estados Unidos, en el cual se producen neutrinos a partir de la colisión entre otras partículas aceleradas de alta energía en unas instalaciones cerca de Chicago, los cuales son enviados hacia un detector en Soudan, Minnesota, a 735 kilómetros (456 millas) de distancia. Aunque los neutrinos dejan Illinois con un determinado sabor, pueden oscilar durante el viaje, llegando a Minnesota con uno completamente diferente.

El equipo del MIT estudió la distribución de los sabores de los neutrinos generados en Illinois, comparándola con la de aquellos detectados en Minnesota, y encontró que estas distribuciones pueden ser explicadas más fácilmente mediante fenómenos cuánticos: a medida que los neutrinos se movían entre el reactor y el detector, tenían estadísticamente una mayor probabilidad de estar en un estado de superposición, sin un sabor o identidad definidos

Holograma con un único fotón

Hasta hace bastante poco, se creía que crear un holograma hecho de un único fotón era imposible debido a las leyes fundamentales de la física. Sin embargo, unos científicos han conseguido aplicar conceptos de holografía clásica al mundo de los fenómenos cuánticos. Una nueva técnica de medición les ha permitido registrar el primer holograma de la historia compuesto por una única partícula lumínica, un logro que ayudará a conocer mejor algunos aspectos de la mecánica cuántica.

El equipo de Radoslaw Chrapkiewicz y Michal Jachura, de la Facultad de Física en la Universidad de Varsovia, en Polonia, ha creado el primer holograma a partir de una partícula individual de luz. El espectacular experimento tuvo por objeto medir y visualizar algo increíblemente difícil de observar: la forma de los frentes de onda de un único fotón.

Su exitoso registro del holograma de un único fotón abre una nueva era en la holografía: la holografía cuántica, que promete ofrecer toda una nueva perspectiva sobre los fenómenos cuánticos. El experimento es un paso importante hacia un conocimiento más profundo de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Hasta ahora, no ha habido un método experimental sencillo de conseguir información sobre la fase de la función de onda de un fotón. Aunque la mecánica cuántica tiene muchas aplicaciones, y se ha verificado muchas veces con un alto grado de precisión durante el último siglo, aún no se ha conseguido explicar qué es realmente la función de onda: ¿es simplemente una herramienta matemática práctica, o es algo real?

Descubierta una nueva relación en el comportamiento de los bosones

Un estudio internacional con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) (España) ha descubierto una nueva relación en el comportamiento de los bosones: la inestabilidad dinámica –un fenómeno por el cual un estado de agrupación de bosones se puebla fuertemente­– está relacionada con el orden topológico de esa misma materia cuántica. El estudio se publica en la revista Physical Review Letters.

“En la naturaleza existen dos tipos de partículas, fermiones y bosones, fundamentalmente diferentes. Los bosones tienden a organizarse todos en el mismo estado, mientras que los fermiones se evitan. En el caso de bosones interactuantes, un fenómeno llamado inestabilidad dinámica puede poblar fuertemente un estado cuántico bosónico dado”, explica la investigadora del CSIC Mónica Benito, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid.

“La inestabilidad dinámica es un tipo de orden más difícil de detectar que las fases usuales de los materiales, caracterizadas por parámetros de orden como la magnetización macroscópica en imanes”, indica Benito. “En el artículo mostramos cómo las inestabilidades dinámicas indican distintas fases topológicas y cómo esto puede ser utilizado de forma sistemática para generar modos protegidos espacialmente localizados y con creciente ocupación”, añade.




“Estos modos podrían ser útiles en el desarrollo de nuevos nano-dispositivos con el potencial de amplificar señales cuánticas muy pequeñas al mismo tiempo que se evitan pérdidas causadas por ruido”, concluye la investigadora.

El estudio se ha desarrollado en colaboración entre las investigadoras Gloria Platero y Mónica Benito, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, y los investigadores Tobias Brandes y Georg Engelhardt, de la Universidad Técnica de Berlín. (Fuente: CSIC/DICYT)

¿Es real la realidad?

El Universo, todo lo que conocemos, tu mismo. Todo, absolutamente todo, no es mas que tu cerebro interpretando a su manera lo que interactua contigo. ¿Cuantos colores hay? ¿Cuantas notas musicales existen? Pues esto viene determinado unicamente por lo que tu cerebro quiere interpretar a través de tus sentidos. Cuando ves el color rojo, sabes que es rojo obviamente y cuando ves verde, sabes que es verde lo mismo pasa con el azul y con todos los colores...pero... te voy a decir lo que realmente ves o mejor dicho, interpretando a tu antojo. El rojo no es mas que ondas electromagnéticas o fotones con una longitud de onda de 700 nano metro (nm), el verde es de 550 nm y el azul de 450 nm. ¿Quieres ver una longitud de onda de 800 nm? Nunca vas a poder. ¿Una de 300? vete olvidándote. Los seres humanos podemos “ver” las longitudes de ondas que van desde 400 nm a 700 nm, es lo que se llama “luz visible”. Un nano metro es lo que mide mas o menos una molécula de glucosa pero el espectro electromagnético, es decir, todas las posibles ondas que hay es literalmente infinito, es decir hay ondas que miden el equivalente a un átomo y hay ondas que tienen el tamaño de varios campos de fútbol. Y nosotros solo podemos ver una pequeñísima fracción de este enorme abanico de longitudes de onda.

Es nuestro cerebro el que nos dice como debe ser para nosotros cada longitud de onda, es el quien traduce un numero en algo tan importante para nosotros como son los colores. Es por esto que nuestra realidad es única.

La que podríamos llamar “Realidad Real” aquella que nunca vamos a poder vivir por estar limitados por nuestros sentidos, sabemos como se manifiesta. La ciencia nos ha permitido salir de la caverna de platón y entender como se comporta esta realidad. Sabemos que todo en el universo es materia y energía existiendo estas como partículas elementales, no sabemos como son, pero podemos interaccionar con ellas y mediante observaciones indirectas medir sus propiedades. Pero aquí viene lo interesante. Sabemos que todas las partículas del universo, ya sean elementales o moléculas se comportan como partículas y ondas !A LA VEZ! Pero incluso habiendo llegado a este nivel de precisión, la realidad vuelve a esconderse. No es lo suficientemente frustrante que no podamos saber como son las partículas, sino que ademas estas se pueden comportar de dos formas a la vez. Son partículas y a la vez son ondas.

Hay muchas formas de demostrar que las partículas elementales se pueden comportar como partículas y ondas a la vez. Uno de los métodos mas famosos es el experimento de “La doble rendija” Esto consiste en pasar un haz de electrones a través de 2 rendijas paralelas llegando estos a una pared detector de electrones. Lo que detecta esta pared es un patrón de interferencia, es decir, lineas verticales con electrones y lineas sin electrones. ¿Como puede pasar esto si en teoría todos tendrían que ir rectos formando tan solo dos lineas? La única explicación es que estos electrones se estén comportando a la vez como ondas y partículas. Esto ya de por si es muy contra intuitivo pero algo aun mas extraño es lo que ocurre cuando se lanzan los electrones uno por uno. El patrón sigue formándose con la llegada sucesiva de electrones a pesar de que estos no deberían haber interferido entre ellos ya que cuando pasan ivan solos. ¿Que es lo que ocurre? Pues que un mismo electrón al comportarse como una onda y una partícula al mismo tiempo pasa por ambas rendijas interfiriéndose a si mismo. ¿Parece irreal no? Pero esperate por que aquí viene lo mejor. Si tuviésemos un aparato para ver por que rendija pasaría el electrón, el electrón deja de comportarse como una onda, el patrón de interferencia se destruye y se observaría solo dos franjas en la pared detector como si de una partícula se tratase. Parece que la realidad no quiere ser encontrada. Bienvenido a la Física Cuántica.

Pero... tu mismo...¿Te comportas como una onda y una partícula a la vez? La respuesta es si.

Si te mueves a 1m/s tienes una longitud de onda de 9,5 x 10^-36m (diez elevado a -36 metros)

Por muy absurdo e irreal que te parezca si pudiésemos realizar el experimento de la doble rendija con humanos, efectivamente tendríamos un patrón de interferencia entre nosotros. No obstante no nos percibimos como una onda por que los fenómenos cuánticos son difícilmente observables a nuestras escalas dado que estamos echos de muchas partículas elementales por lo que las dimensiones del experimento serian colosales mas grandes que el mismismo universo observable. Pero funcionaria.

Parece ser que cuanto mas queremos saber de la realidad, mas irreal se hace.

En función de como estudiamos a la realidad para saber como es verdaderamente, esta parece que se ria de nosotros y nos muestra dos realidades, ondas y partículas a la vez y lo mejor es que la dualidad onda-partícula no es la autentica realidad.

Tu debes saber que es un electrón, en la escuela nos dicen que son esas pequeñas bolitas que orbitan alrededor del núcleo de un átomo y esto nos lleva a la idea de que el universo esta lleno de núcleos de átomos rodeados de electrones. Es como si hubiese muchos electrones en el universo pero... de echo solo existe un único electrón en el universo que se propaga por el espacio y el tiempo de tal forma que parece que esta en muchos sitios simultáneamente. Bienvenido a la teoría cuántica de campo. Esta es a día de hoy la interpretación mas próxima a la realidad. Básicamente dice que el universo no esta echo ni de partículas ni de ondas, sino de campos cuánticos.

Volvamos al caso de nuestro amigo el electrón. Cuando los físicos dicen que solo existe un electrón en el universo, quieren decir que el electrón no existe como concepto fundamental en el universo ya que no existen ni ondas ni partículas por lo que no puede existir un electrón. Lo que realmente existe es el campo cuántico del electrón habiendo un único campo del electrón en todo el universo. Todos los electrones que observamos en el universo son excitaciones puntuales de este mismo campo por esto son todos idénticos e indistinguibles entre ellos y pasa exactamente lo mismo con las demás partículas elementales. Cada partícula elemental tiene su campo pero no es que los campos estén localizados en un punto del universo como los estaban las partículas sino que los campos cuánticos son algo intrínseco del espacio-tiempo, están en todo el universo.

Pongamos un ejemplo. Si por ejemplo imaginamos el campo gravitatorio alrededor de la tierra podemos ver que este está en todas partes, lo único que hace la tierra es crear una excitación puntual en este campo. Sin embargo el campo gravitatorio esta por todo el universo. La gravedad existe en cualquier punto del universo.

Pues lo mismo pasa con las partículas, no son mas que zonas excitadas de los campos cuánticos.

Es por esta razón que las partículas no son partículas u ondas sino que son excitaciones de campos. El concepto de onda y partícula no es nada mas que una invención humana para interpretar la realidad, una realidad que puede que se comporte como ondas y partículas pero que no esta echa de estas mismas. Pero aquí viene lo realmente interesante. No podemos estar seguros de que la verdadera “realidad” este hecha de campos y seguramente nos va a costar mucho encontrar cual es la autentica realidad. Puede que nunca.

No podemos afirmar que la teoría cuántica de campos es la autentica realidad, no podemos estar seguros. Es mas bien la teoría que mas bien predice el comportamiento de nuestra realidad aparente.

Nuestros sentidos conjuntamente con nuestro cerebro son los que crean una ilusión de lo que es el universo. Cuando tocas algo, cuando escuchas tu canción favorita, cuando ves un hermoso paisaje, cuando estas con tus seres queridos lo único que estas sintiendo es una realidad que creas tu en tu cerebro. Intentar imaginar como debe sentir cualquier otro ser vivo del universo resulta imposible ya que no conocemos ninguna realidad aparte de la que existe en nuestra mente. La realidad no esta ahí fuera, sino que dentro de tu cabeza. Es una realidad que existe por que tu existes y no al revés .