¿Están ocultos los secretos del universo en un chip?

Chip

Un aislante topológico podría ayudar a probar la Teoría de Campo Cuántico.

Una oscura clase de materiales podrían usarse para simular una gran cantidad de partículas exóticas predichas por los físicos, pero nunca observadas.

Los resultados preliminares, presentados el 14 de marzo en la apertura de la reunión de la Sociedad Física Americana en Portland, Oregon, sugieren que se ha creado un trozo lo bastante grande de un ‘aislante topológico’ como para probar las extrañas predicciones de la Teoría de Campo Cuántico — una versión de la mecánica cuántica que se usa comúnmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de un número de partículas inusuales, que, de reproducirse en el material, podrían mostrarse útiles para aplicaciones futuras tales como ruptura de códigos en ordenadores cuánticos o en espintrónica — la electrónica que depende del espín de las partículas además de su carga.

Ahora, Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg en Alemania, cree que ha creado un aislante topológico de telúrido de mercurio (HgTe) lo bastante grueso como para comprobar la teoría.

Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones en su exterior, pero actúan como aislantes en el interior. El origen de esta propiedad aparentemente mundana subyace en la forma en que los electrones se mueven a través del material. Los electrones portan un ‘espín’ mecánico cuántico que apunta ‘arriba’ o ‘abajo’. El espín normalmente es independiente del movimiento del electrón, pero dentro de los aislantes topológicos, los espines de los electrones están fuertemente relacionados con su movimiento.

El ‘multiverso’ en un chip

Tal relación entre espín y movimiento hace que los aislantes sean un buen medio en el que modelar algunas formulaciones de la Teoría de Campo Cuántico, dice Shoucheng Zhang, físico teórico de la Universidad de Stanford en California.

La Teoría de Campo Cuántico ha tenido un éxito extraordinario al describir el universo, pero algunas de sus predicciones se han resistido a su demostración. Algunas formulaciones sugieren la existencia de axiones — partículas de interacción débil propuestas para tener en cuenta la invisible ‘materia oscura’, que podrían contener casi un cuarto de la masa del universo. La teoría también permite la existencia de monopolos magnéticos, puntos de norte y sur aislados que nunca se han observado en la naturaleza.

“Vivimos en un tipo de universo, pero dentro de estos sólidos puedes crear esos universos inusuales”, dice Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton en New Jersey. “Eso es genial”.

Las partículas no serían las mismas que las predichas por la Teoría de Campo Cuántico – por ejemplo, un estudio de Zhang y sus colegas demuestra que los axiones podrían ser simulados como fluctuaciones en un campo magnético dentro de un aislante topológico1. Pero la analogía podría guiar a los científicos sobre dónde buscar el equivalente real de la partícula en el universo. Lanzando luz polarizada a través del aislante se podrían revelar signos claros de los axiones. Si los axiones existen en la realidad, entonces podría aparecer el mismo signo en la radiación del fondo de microondas cósmico, la radiación primordial dejada por el Big Bang.

Algunas de las partículas exóticas propuestas podrían tener también usos prácticos. Una clase, conocida como fermiones de Majorana, se predice que sean muy estables, pudiendo ser usados en computadores cuánticos para almacenar datos.

Cosas extrañas

El HgTe usado por Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta el momento sólo se ha visto el comportamiento de aislante topológico a lo largo de los bordes de finas porciones del material. En resultados preliminares presentados en un tutorial anterior a la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones de la superficie de esta muestra tridimensional se comportaban como se supone que lo harían en un aislante topológico. “Si todo esto funciona, podemos comprobar experimentalmente la Teoría de Campo Cuántico”, dice.

Si el HgTe cumple con las expectativas, Molenkamp dice que puede empezar pronto la búsqueda de “cosas raras” que se predice que vivan dentro de él.

Yazdani, que trabaja con una clase de material alternativo basado en el bismuto, dice que si Molenkamp ha logrado los resultados que describe, sería un paso adelante significativo para el campo. Pero, añade: “No he visto sus datos, por lo que no puedo decir cómo de convincentes son”.

Zhang dice que los resultados son emocionantes. No obstante, reconoce que aunque los axiones y monopolos podrían vivir dentro de un aislante topológico, eso no significa que existan en el mundo real. “Eso no significa que los vayamos a ver en el universo”, comenta. “Pero al menos nos dirá si las ecuaciones son una locura o no”


Referencias: 1. Li, R. , Wang, J. , Qi, X.-L. & Zhang, S.-C. Nature Phys. doi:10.1038/nphys1534 (2010).

Autor: Geoff Brumfiel
Fecha Original: 16 de marzo de 2010
Enlace Original

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Comments (9)

  1. Buenas.

    Sólo un comentario: “aislante” es adjetivo. El sustantivo es “aislamiento”. Existe un material aislante, pero no un aislante. Por tanto sería un aislamiento topológico.

    Saludos.

    • Alfonso Salas

      Según la rae, aislante tambien se usa como sustantivo. Es un caso de sustantivización del adjetivo (http://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=aislante).

      Un saludo

    • Jurl

      Eso te pasa por usar el DRAE y bodrios derivados xD

      Siempre mejor el María Moliner:

      aislamiento m. Acción y efecto de aislar.

      aislante adj. y n. m. Se aplica a lo que sirve para aislar, particularmente de la electricidad, el calor o el frío, o el sonido

      Aislante es más bien el material o el procedimiento, aislamiento la acción y el efecto. En el DRAE también viene reflejado así, pero más confuso e incluso contradictorio (p.ej. dice de aislamiento. 1. m. Acción y efecto de aislar. 2. m. Sistema o dispositivo que impide la transmisión de la electricidad, el calor, el sonido, etc. 3. m. Incomunicación, desamparo.)

      Hay muchas palabras que es de vergüenza lo mal que vienen en el DRAE. Por ejemplo, algo tan matemático, tan físico y tan vulgar como “discreto”:

      (DRAE)

      discreto, ta.
      (Del lat. discrētus, part. pas. de discernĕre, discernir).
      1. adj. Dotado de discreción. U. t. c. s.
      2. adj. Que incluye o denota discreción. Conducta discreta. Dicho discreto.
      3. adj. Separado, distinto.
      4. adj. Moderado, sin exceso. Precio, color discreto. U. t. en sent. peyor. Es obra ambiciosa, pero de resultados discretos.
      5. m. y f. En algunas comunidades, persona elegida para asistir al superior como consiliario en el gobierno de la comunidad.

      (María Moliner)

      discreto, -a (del lat. “discretus”, part. pas. de “discernere”, distinguir)
      1 (científ.) adj. Se aplica a las cantidades o conjuntos *discontinuos o formados por individuos o unidades contables.
      2 Med. Se aplica a las *enfermedades eruptivas, por ejemplo las viruelas, cuando los granos, manchas, etc., están muy separados entre sí.
      3 Aplicado a las personas y, correspondientemente, a sus palabras, conducta, etc., dotado de *tacto para hacer o decir lo que es conveniente y no causar molestia o disgusto a otros. Se aplica al que no divulga lo que interesa mantener *reservado. También al que no muestra *curiosidad impertinente.
      4 Aplicado a personas y cosas, no exagerado o extraordinario en ningún sentido: “Tiene una inteligencia discreta. Le daremos un plazo discreto para que reflexione”. *Moderado.
      5 Der. *Tratamiento dado a algunos funcionarios: “El discreto provisor”.
      6 n. En algunas *órdenes religiosas, persona que asiste al superior como consejero.

      Con el agravante que el DRAE se supone que es la tradición blablablá de no sé qué y cuenta con una institución con un presupuesto y media legión de gente dedicada, y el María Moliner se lo curró una bibliotecaria en sus ratos libres. Ni vergüenza hay,

      /mode soflama anti DRAE off

  2. Tienes razón, no había visto el U. t. c. s. Me sigue gustando más aislamiento, pero ya no me puedo quejar ;)

    Saludos.

  3. Jaja,en vez de hablar de Física(el tema) se va ha hablar de Lengua Castellana un tema muy diferente con la Física.Las matematicas explicarán el origen de todo,pero no el ¿Porque?.O al menos pienso yo.

    Kanijo muy bien la página,seguir así.
    Saludos. :D

  4. ama10-3

    Me encanta leer los comentarios a pie de artículo puesto que, por regla general, me ayudan a comprender los enrevesados términos que los científicos usan a menudo… y en muchas ocasiones lo consiguen.

    Sin embargo, lo que no esperaba encontrar aquí, es una aclaración del todo fuera de contexto sobre gramática castellana por un “quítame allá este adjetivo…” Tampoco quiero decir que la tal aclaración no sea de agradecer, pero…

    Lo que yo esperaba encontrar ahí era qué c…aray pintan unos vulgares ‘axiones’ agazapados en su topológico aislamiento en una vulgar amalgama de Telurio, cercados por veloces ‘caballeros’ electrones ‘espín’ en ristre…

    Pido perdón por mi salida de ‘pata de banco’; procuraré enmendarme.

    Un afectuoso saludo del Amadeo.

  5. Me encantan los nuevos intentos y los físicos que se arriesgan a adentrarse en caminos desconocidos buscando ¿quimeras?, o, quizá la realidad última de la física.

    Hablar de axiones y monopòlos que viven dentro de un aislante topológico, no es nada fácil, ya que, la primera es una partícula hipotética elemental que ha sido postulada para explicar por qué no se observa la violación CP en las interacciones fuertes. Todos sabemos que los axiones no han sido detectados experimentalmente, aunque ha sido posible poner límites sobre su masa y otras propiedades a partir de los efectos que tendrían algunos fenómenos astrofísicos (por ejemplo, el enfriamiento de las estrellas). También han sido sugerido como constituyentes de parte de la materia oscura del universo.

    En cuanto al monopolo, nos estaríamos refiriendo a una entidad magnética hipotética (también) consistente en un polo Norte o Sur elemental aislado. Ha sido postulado como una fuente de campo magnético en analogía a la forma en que las partículas eléctricamente cargadas producen un campo eléctrico.

    Se han diseñado numerosos experimentos ingeniosos para detectar los monopolos, pero hasta ahora, ninguno ha producido un resultado definitivo. Los monopolos magnéticos son predichos en ciertas teorías gauge con bosones de Higgs. En particular, algunas teorías de gran unificación predicen monopolos muy pesados (con masas del orden de 10¹⁶ GeV). Los monopolos magnéticos también son predichos en la teoría de Kaluza-Klein y en la teoría de supercuerdas.

    Cuando nos sumergimos en el universo de lo muy pequeño, lo estamos haciendo en campos desconocidos y, a veces, nos podemos encontrar con situaciones que nos niegan nuestro sentido común. ¿Hay alguna razón o ley fundamental para que los quarks estén siempre fuera de nuestra vista, o lo que es lo mismo, que sean siempre invisibles? ¿Por qué las líneas de campo de una teoría de color forman salchichas, en vez de separarse como los campos eléctricos y magnéticos “ordinarios”. Si se pudiera explicar esto, quizá se podría diseñar un sistema de cálculo para explicar los hadrones.

    Fueron Holger Nielsen y Poul Olensen de Copenague y, de manera independiente, Bruno Zumino en el CERN, los que descubrieron algo. Si consideramos un trozo de material superconductor e intentamos poner ahí un polo magnético. Sí, “sabemos” que eso “no existe” pero, como hacen los científicos del artículo de arriba, lo podemos imaginar para calcular lo que haría el superconductor.

    Sabemos que un superconductor no tolera ni campos eléctricos ni magnéticos, porque los apantalla completamente. Pero no podría hacer lo mismo con el campo de un monopolo, una vez que se encuentra en su interior. Para admitir un monopolo, el superconductor debe crear una pequeña región no superconductora a donde van las líneas de campo del monopolo. Los cálculos realizados sobre este estudio son de lo más interesante y, de esa manera, Nielsen y Zumino obtuvieron un modelo para los quarks. Los quarks son un tipo de monopolo magnético y nuestro espacio un tipo de superconductor. Todo eso me suena. ¡una teoría de Higgs!

    Glashow y Howard Georgi también trabajaron sobre los monopolos y, sobre todo, la posibilidad fundamental de liberar partículas de un polo magnético ya había sido sugerida previamente por Paul Dirac en 1931, cuando demostró con gran generalidad que el producto de la carga eléctrica de un electrón por la carga magnética fundamental de un posible monopolo magnético tenía que ser siempre un múltiplo entero de la constante de Planck.

    DE los monopolos magneticos se han escrito ríos de tinta y, al igual que los axiones, no se ven por ninguna parte, en el artículo, entre otras cosas se nos dice:

    “El HgTe usado por Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta el momento sólo se ha visto el comportamiento de aislante topológico a lo largo de los bordes de finas porciones del material. En resultados preliminares presentados en un tutorial anterior a la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones de la superficie de esta muestra tridimensional se comportaban como se supone que lo harían en un aislante topológico. “Si todo esto funciona, podemos comprobar experimentalmente la Teoría de Campo Cuántico”.

    Podemos entender por qué la teoría fundamental para las interacciones entre los electrones y los fotones fue la primera en completarse. Se la denominó “electrodinánmica cuántica”. La precisión con la que se pueden calcular las propiedades del electrón utilizando esta teoría es impresionante. Uno de los ejemplos más llamativos fue el cálculo del momento dipolar magnético, μ del electrón.

    Los electrones al girar alrededor de un eje y estar cargados eléctricamente, se comportan como un imán en miniatura. Paul A. M. Dirac, que fue el primero en escribir una ecuación mecanocuántica para el electrón que también estuviera de acuerdo con la teoría de la relatividad, descubrió que la intensidad de este pequeño imán se podía calcular en términos de constantes naturales conocidas, entre ellas la constante de Planck, la velocidad de la luz, la carga eléctrica y la masa del electrón.

    La ecuación ignora algunos de los efectos indirectos en los electrones debido a los fotones que los rodean; efectos que fueron calculados más tarde por Julian Achwinger y por otros aumentando aún más la precisión. El valor medido experimentalmente del momento dipolar magnético del electrón es actualmente

    1,oo1 159 652 19 ± 0,000 000 ooo o1

    veces la combinación de constantes dadas por Dirac.

    Con todo esto quiero llegar a significar que, tal y como ha ido caminando la Física y los resultados hasta ahora obtenidos, si en verdad existen los monopolos, los axiones, el gravitón y el Bosón de Higgs (entre otros muchos que podrían ser), finalmente, los encontraremos y, si el experimento del artículo que comentamos está en el buen camino, el tiempo lo dirá.

    De todas las maneras, de estos estudios siempre surgen cuestiones de interés que, finalmente, se aplican de manera positiva. ¿Cuántas veces se ha ido buscando una cosa y se ha encontrado otra? En Ciencia, muchas.

  6. [...] online el 16 de marzo 2010, traducción del artículo en inglés que podéis comparar con la traducción de Ciencia Kanija, si os [...]

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