Patrones fractales observados en el dominio cuántico

Fractal

Desde los montañosos paisajes a vista de pájaro a las erráticas trayectorias del movimiento Browniano, los patrones fractales existen a muchas escalas en la naturaleza. Los físicos creen que los fractales también están en el mundo cuántico, y ahora un grupo de investigadores de los Estados Unidos ha demostrado que, efectivamente, éste es el caso. Esta imagen muestra el patrón fractal que resulta cuando las ondas asociadas a electrones empiezan a interferir entre sí.

Un fractal es una entidad geométrica cuyos patrones básicos se repiten en tamaños cada vez más pequeños. Por ejemplo, un sistema fluvial es un patrón fractal aproximado dado que los canales se ramifican en afluentes cada vez más estrechos moviéndose corriente arriba; en cada confluencia el patrón es una versión menor de la rama anterior.

Una súbita transición

Ali Yazdani de la Universidad de Princeton en los Estados Unidos y sus colegas han revelado que estos patrones también existen a la escala de los átomos individuales en un sólido. Y la clave para este efecto es una súbita transición donde un material cambia de metal a aislante. En esta transición, las ondas asociadas con los electrones individuales pasan de extenderse a través de todo un sistema a quedar localizadas en lugares de una retícula.

En esta transición de metal a aislante, las ondas del electrón se compactan. Empiezan a afectarse entre sí en una compleja red de interferencias constructivas y destructivas, lo cual da como resultado un patrón fractal. Yazdani y su equipo fueron capaces de observar este efecto usando un microscopio de efecto túnel (STM), el cual proporcionó la resolución de escala atómica.

El material usado fue un semiconductor ferromagnético de arseniuro de galio dopado con un 5% de manganeso, elegido debido a que los investigadores están interesados en formas eficientes de convertir un semiconductor en un imán. El dopado del arseniuro de galio de esta forma se ha convertido en una aproximación popular en el emergente campo de la espintrónica – la electrónica que explota los espines de las partículas así como su carga. La espintrónica tiene el potencial de aumentar la velocidad de cálculo y la electrónica.

Descubrimiento casual

Hablando sobre su investigación, Yazdani admite que observar estos fractales no era el objetivo principal del estudio. “Hacemos esto cada día, pero una vez que logramos tener funcionando el experimento con este material, nos enfrentamos a lo que parecían patrones aleatorios”, comenta. Su grupo pasó al desarrollo de la teoría y se dio cuenta de que los electrones que observaban estaban en la posición justa.

Yazdani y su equipo trataron de desarrollar su investigación comparando el comportamiento colectivo respecto al individual en los electrones de su sistema y cómo influían en los patrones espaciales. El gran logro de esta investigación esn conectar estos patrones con teorías del magnetismo para avanzar tanto en la investigación fundamental como en el desarrollo de aplicaciones espintrónicas.

Esta investigación se publica en Science.


Autor: James Dacey
Fecha Original: 9 de febrero de 2010
Enlace Original

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Comments (11)

  1. Francisco Ruiz

    ¿serán considerados algún día los fractales como constante universal?

    FRV

  2. Sagutxo

    Cierto, Francisco. O más que constante, como algo que encierra un significado mayor y fundamental en el Universo, un principio.

    A veces resulta chocante las estructuras fractales ocultas por todo el Universo en los elementos más diversos, la repetición de estructuras a diferentes escalas que se observa en la naturaleza. No será eso la manifestación de algo fundamental subyacente?

    Puesto a imaginar, ¿a veces no os sorprende el parecido de cosas tan pequeñas como un átomo con algo tan grande como un sistema planetario? Esteremos viviendo en una diminuto electrón de un anónimo átomo dentro de una mediocre molécula de una de los trillones de células de un ser de unas dimensiones inconcebiblemente grande? Y al revés? ¿No tenderemos infinitos mundos habitando dentro de la materia de la cual estamos hechos? ¿No será esto la historia interminable?

    Bueno, hoy le he dado vacaciones a mi escepticismo científico y he sacado de la celda a mi imaginación.

    SalU2

  3. hector04

    esto no es asi Sagutxo por lo menos hasta el nivel de la escala de planck, y ya h sido demostrado, nadie sabe que hay mas allá de esa pequeñña escala pero una idea la esta dando justamente el satelite planck que en menos de 7 años nos entregara el ultimo estudio de la radiación de fondo, el ultimo informe de su antecesor fué contundente, Nuestro universo es tan… pero tan grande que ni idea de la topología que tiene, nadie sabe si es una rosca o la caspa de algun pulgoso perro, lo que si se sabe es que la variacion principal de la radiacion de fondo (que desencadeno en los supercumulos) son la variación cuantica en los primeros instantes del big bang asi que si alguien quiere saber como es un el universo a la escala de planck no es tan descabellado mirar al cielo…
    en cuanto a la simetria fractal no le doy tanta importancia, lo antiintuitivo sería que cambiando la escala cambiaramos la forma.
    saludos y espero haberme dado a entender, a veces cuesta…

  4. Parece que hay evidencias de que los fractales tienen que jugar un papel fundamental en muchos fenómenos hasta ahora inexplicados. Parece que sistemas que alcanzan el punto crítico que separa el orden de “el caos” y en muchos cambios de fase (como es éste caso) aparecen siempre patrones fractales. Y de forma increible en sistemas que alcanzan “el caos” por el método de duplicación del periodo la relación de la escala del patrón fractal es simpre la misma: 4,669:1 (el número de Feigenbaum). En mi opinión los fractales supondrán la respuesta a muchos misterios de la física.

  5. Sagutxo

    Gracias por tu comentario Hector. De todas maneras, no era para tomar en serio esa parte de mi comentario, ya lo advertí cuando dije “Bueno, hoy le he dado vacaciones a mi escepticismo científico y he sacado de la celda a mi imaginación.”

    Lo que si pienso en serio, al igual que insinuó Franciso, o despúes el amigo Plank, es que puede existir algo fundamental detrás del hecho de que las estructuras fractales sean tan omnipresentes a diferentes niveles del Universo.

    Al igual que las diferentes versiones de las teorías de cuerdas nos conducen a sospechar que existe una teoría M común subyacente, más profunda… lo mismo pienso respecto a los fractales. Puede que exista algún principio fundamental de la materia que explique el por qué se repiten los diseños fractales en cosas tan dispares como una nube o una planta ¿Y cuál es ese principio?: ni idea. Es una impresión sin ninguna validez científica.

    Espero que tu hipótesis sobre la caspa del perro pulgoso no sea cierta. :-)

    SalU2

  6. Sagutxo

    Os dejo algunos enlaces interesantes al respecto:

    http://www.physics.uoguelph.ca/poisson/ccgrra/mureika.pdf

    Prestad atención a algunos de los gráficos donde se representa la distribución de galaxias en el Universo a gran escala (2D y 3D). Observad las estrucuturas que aparecen en forma de “células”, similares a la superficie de una hoja de cebolla vista al microscopio, aunque sin la regularidad poligonal. A otros se le puede antojar como la espuma del jabón… o de la cerveza, para los más cachondos.

    http://www.newscientist.com/article/dn14546-biggest-3d-galaxy-map-to-probe-dark-energys-history.html

    No hagais mucho caso de algunas cosas que dice el artículo de New Scientist, son bastante sensacionalistas. Lo importante es el gráfico.

    http://neofronteras.com/especiales/?p=9

    SalU2

  7. Sagutxo comparto tu opinión de que los fractales tienen que esconder algún principio físico fundamental. Para mi lo más increible de los fractales es que los patrones que los forman se comportan matemáticamente como entidades de dimensión no entera. Existen entidades con dimensión fractal 2,4 o 1,6. Aunque
    existe controversia sobre el verdadero significado de estas dimensiones y pudiera parecer que no pueden tener sentido físico ya se ha descubierto que no es así y que esa dimensión fractal tiene efectos físicos medibles. Por ejemplo, una entidad de dimensión fractal entre 1 y 2 (como la curva de Peano) se puede utilizar para incluir la máxima longitud posible (1 dimensión) dentro de una superficie dada (2 dimensiones) y asi optimizar el espacio disponible. Creo que la ciencia nos depara grandes sorpresas en el campo de los fractales.

  8. ivc26

    desde que escuche sobre mandelbrot he pensado lo que comentais por aqui… y yo creo ademas que los fractales ayudaran a unir ramas del conocimiento de una manera que pocos pueden imaginar hoy por hoy…

  9. Un comentario si nos referimos a los fractales en el nivel cuántico, hablamos de matemáticas, esto es de números, entonces estos números deben estar referidos a la energía. Los fractales al nivel cuántico por tanto deben ser el concepto de la energía por los números, como una representación de como la energía se presenta/existe. Los fractales están referidos entonces a los números que representa la energía, esto es un número que representa la medición de un átomo. de onda, o un cuanto, pero en la ciencia física existen diversos formas de medir y representar la energía, entonces, si encontramos un número fractal a nivel cuántico, quiere decir que posiblemente todas las mediciones de la energía hasta ahora descubiertas son derivadas de múltiplos de un solo número, fractales de un número, una propuesta en este camino de los fractales en el campo cuántico lo podemos encontrar en el siguiente link, http://www.earthmatrix.com/sciencetoday/planckconstant/
    esta in ingles, aquí, resulta fascinante la exposición del tema de los números fractales y la coincidencia de encontrar un número fractal para la energía!!!

  10. Sagutxo

    Yo también lo creo Plank. Y pienso que estamos en la antesala de algún descubrimiento fundamental en Física para antes del 2015. Varios avances van a confluir y abrirán alguna puerta… o eso espero :-)

    SalU2

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