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)