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
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Átomos de potasio intercalados en cristales del compuesto orgánico piceno logran superconductividad a temperaturas relativamente altas.

La superconductividad es una de esas propiedades casi mágicas que parecen desafiar toda intuición sobre cómo debería funcionar el mundo físico. En un superconductor, las corrientes eléctricas fluyen sin resistencia — un electrón pasa sin impedimento a través del material como un torpedo a través de un océano sin fricción. Tras descubrir el fenómeno en 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes demostró que una corriente eléctrica encerrada en un bucle superconductor de mercurio se mantendría fluyendo mucho después de que se eliminase el potencial; demostró su descubrimiento llevando tal corriente persistente de los Países Bajos a Inglaterra.

Desde entonces, los físicos han descubierto superconductores basados en otros metales, e incluso en cerámica. La última entrada es una que tiene su raíz en los hidrocarburos, el cual superconduce a una temperatura relativamente alta comparado con los metales elementales.

Los hallazgos proceden de un equipo de investigadores japoneses, que informan en el ejemplar del 4 de marzo de la revista Nature de que la molécula de hidrocarburo piceno, normalmente un semiconductor, se transforma en superconductor potencial cuando se le intercala un metal alcalí como el potasio o el rubidio. Y cuando el piceno (C₂₂H₁₄) es dopado con potasio, superconduce a la relativamente alta temperatura de 18 kelvins (–255 grados C). Aunque la temperatura de transición está muy por debajo de la de los superconductores basados en óxidos de cobre similares a los cerámicos, donde la electricidad puede fluir sin resistencia a unos 160 kelvins, o –113 grados C, el descubrimiento podría llevar al desarrollo de nuevos superconductores de alta temperatura basados en la química orgánica.

Yoshihiro Kubozono, profesor de química y física del estado sólido en la Universidad de Okayama en Japón y un coautor del estudio, dicen que el piceno es el primer ejemplo de un hidrocarburo superconductor. (Los investigadores habían tenido un éxito similar logrando que compuestos estrictamente de carbono superconducieran, por ejemplo, dopando el fullereno C₆₀ con potasio). Los hidrocarburos son mejor conocidos por su combustibilidad que por sus propiedades eléctricas: La gasolina es un derivado del hidrocarburo, incluyendo el conocido octano (C₈H₁₈); el gas natural que calienta la mitad de los hogares de los Estados Unidos es mayormente metano (CH₄).

El piceno aparece en la naturaleza en el alquitrán y se encuentra en residuos del refinado de petroleo, pero Kubozono y sus colegas sintetizaron el compuesto para el nuevo estudio. La molécula del piceno es plana, y forma cristales comprimiendo capas apiladas. Cocinando el compuesto durante días con un metal alcalí como el potasio, introdujeron átomos metálicos entre las capas de hidrocarburos, lo cual mejora su conductividad en los planos paralelos a los bloques de piceno.

Kubozono dice que él y sus colegas están ahora dopando el piceno con otros metales – en el nuevo estudio, el grupo informa de sus intentos con sodio y cesio, junto al potasio y rubidio — para aumentar más la temperatura de superconducción del material. También están experimentando con otros hidrocarburos paara ver cuáles pueden superconducir, dice Kubozono.

Brian Maple, físico de la Universidad de California en San Diego, dice que la investigación es un paso interesante para expandir el dominio de la superconductividad, particularmente en el régimen de alta temperatura. “Esto es sólo otro ejemplo de cómo de predominante es la superconductividad entre un amplio rango de materiales si puedes convertirlos en metales”, dice. “Globalmente, creo que esto demuestra que se debería ser optimista sobre la posibilidad de encontrar superconductores con temperaturas de transición más altas, mirando en direcciones que hasta ese momento nadie había pensado que fuese muy prometedora”.

Autor: John Matson
Fecha Original: 3 de marzo de 2010
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El investigador Eugenio Coronado y su equipo del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia han desarrollado a nivel químico un material superconductor y ferromagnético a la vez, dos propiedades incompatibles en la naturaleza. La información se ha presentado hoy durante un encuentro organizado por la Fundación Ramón Areces y el grupo editorial Nature, en el que diversos expertos han debatido sobre la revolución nanotecnológica.

Un grupo de investigadores del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia, dirigido por el científico Eugenio Coronado, ha logrado controlar la materia a nivel químico hasta tal punto que han conseguido introducir en un mismo material dos propiedades incompatibles: la superconductividad (capacidad para conducir la corriente eléctrica sin resistencia en determinadas condiciones) y el ferromagnetismo (ordenamiento magnético o imantación).

“En física se dice que un material ferromagnético y superconductor no pueden existir si la conductividad y el ferromagnetismo están en la misma región del espacio”, ha explicado a SINC Coronado, “pero en química podemos diseñar ese tipo de estructuras poniéndolas en distintas regiones del espacio, y con bloques muchos más pequeños de lo investigado hasta ahora”.

Las aplicaciones de este estudio, cuyos detalles se publicaran previsiblemente este año, podrían dirigirse a áreas como la electrónica, la espintrónica y las tecnologías de la información. Los materiales ferromagnéticos y conductores son muy sensibles a los campos magnéticos, y ya se emplean, por ejemplo, en los lectores de los discos duros.

Otra de las líneas de investigación del equipo son las “moléculas imán”, según ha señalado hoy Coronado durante un encuentro sobre nanotecnología organizado hoy en Madrid por la Fundación Ramón Areces y Nature Publishing Group Iberoamérica. “Una sola molécula que se comporte como un imán significa que esa molécula mide un nanómetro (normalmente los tamaños de los bits de memoria magnéticos suelen medir 1000 nm), por lo que hacer memorias de 1 nm es importante”, ha destacado el químico.

“Además las ‘moléculas imán’ se comportan en física de forma diferente a la de los sistemas microscópicos, y a escala nanométrica aparecen fenómenos cuánticos, que se pueden aplicar, a su vez, en computación cuántica, donde en lugar de tener bits binarios de unos y ceros tenemos más valores”, ha añadido.

Más almacenamiento y nanochips

En cualquier caso Coronado ha destacado que, en principio, las investigaciones básicas no buscan su aplicación directa, sino el concepto del “cómo” realizarlas, algo en lo que también coincidió otro de los ponentes, Andreas Berger, director del Centro de Investigación Científica CIC nanoGUNE de San Sebastián.

“A veces las investigaciones son maravillosas, pero al final pueden no tener un sentido práctico, debido a factores como el coste o que no se pueda controlar adecuadamente algún aspecto”, ha indicado Berger, que también ha mencionado el estudio que realiza su grupo sobre un mecanismo para aumentar la capacidad de almacenamiento de los sistemas. “Puede que resulte practico para su uso, pero no está claro si va a dar un producto al mercado”.

En el encuentro también ha participado el ingeniero, matemático y médico Mauro Ferrari, director del Departamento de Nanotecnología e Ingeniería Biomédica de la Universidad de Texas (EE UU), quien ha explicado sus trabajos sobre la validación clínica de los fármacos. Su equipo trata de producir chips destinados a muestras de sangre con contenidos moleculares que permitan identificar con rapidez la eficacia de los medicamentos contra el cáncer.

Normalmente tras la administración de un fármaco hay que esperar varios meses para comprobar su eficacia, y durante ese periodo la persona que lo ha ingerido está expuesta a la toxicidad de la sustancia. Los nanochips que desarrollan estos investigadores se centran en lograr reducir al máximo el periodo necesario para conocer la eficacia del medicamento.

Los físicos se han preguntado desde hace tiempo si el hidrógeno, el elemento más abundante del universo, podría transformarse en un metal y posiblemente incluso en un superconductor — el esquivo estado en el cual los electrones puden fluir sin resistencia. Han especulado que, bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, el hidrógeno podría ser compactado en un metal y posiblemente incluso en un superconductor, pero demostrar esto experimentalmente ha sido difícil. Los investigadores de alta presión, incluyendo a Ho-kwang (Dave) Mao de Carnegie, han modelado ahora tres aleaciones de metal densas en hidrógeno y han encontrado que hay tendencias de presiones y temperaturas asociadas con el estado superconductor — un enorme impulso en la comprensión de cómo podría aprovecharse este abundante material. El estudio se publica en la edición on-line anticipada del 25 de enero de 2010 de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Todos los materiales conocidos tienen que enfriarse por debajo de una temperatura muy baja, conocida como temperatura de transición, haciendo que sean poco prácticos para aplicaciones cotidianas. Los científicos han encontrado que además de la manipulación química para aumentar la temperatura de transición, también puede inducirse superconductividad mediante altas presiones. El modelado teórico es de gran ayuda para definir las características y presiones que pueden llevar a altas temperaturas de transición. En este estudio, los científicos modelaron las propiedades básicas a partir de sus principios fundamentales – el estudio del comportamiento a nivel atómico — de los tres hidruros metálicos bajo ciertos escenarios de composición, presión y temperatura específica. Los hidruros metálicos son compuestos en los que el metal se une a una abundancia de hidrógeno en una estructura de red. Los compuestos fueron el trihidruro de escandio (ScH₃), trihidruro de itrio (YH₃) y trihidruro de lantano (LaH₃).

“Encontramos que la superconductividad aparecía a presiones entre aproximadamente 100 000 a 200 000 veces la presión a nivel del mar (10 a 20 GPa), que es un orden de magnitud menor que las presiones para compuestos relacionados que se unen con cuatro hidrógenos en lugar de tres”, señala Mao, del Laboratorio Geofísico de Carnegie. El trihidruro de lantano se estabilizó aproximadamente a 100 000 atmósferas y a una temperatura de transición de 20 Kelvin, mientras que los otros dos se estabilizaron sobre las 200 000 atmósferas y a temperaturas de 18 K y 40 K para ScH₃ y YH₃ respectivamente.

Los investigadores también encontraron que los dos compuestos, LaH₃ y YH₃, tenían distribuciones más similares de energía vibratoria entre sí que ScH₃ en el umbral de superconducción y que la temperatura de transición era la mayor en el punto en el que tenía una transformación estructural en los tres. Este resultado sugiere que el estado superconductor procede de la interacción de electrones con la energía vibratoria a través de la red. A presiones mayores que 350 000 atmósferas (35 GPa) desaparecía la superconductividad y los tres compuestos se convertían en metales normales. En el trihidruro de itrio, el estado de superconductividad reaparecía a aproximadamente 500 000 atmósferas, pero no en los otros. Los científicos atribuyen este efecto a su diferente masa.

“El hecho de que los modelos predijeran tendencias distintivas en el comportamiento de estos tres compuestos relacionados a temperaturas y presiones similares es apasionante para el campo”, comentó Mao. “Anteriormente a este estudio, el foco había estado sobre los compuestos con cuatro hidrógenos. El hecho de que la superconductividad se induzca a presiones menores en los trihidruros los hace potencialmente materiales más prometedores con los que trabajar. Los rangos de temperatura y presión son fácilmente obtenibles en el laboratorio y esperamos ver una gran cantidad de experimentos para confirmar estos resultados”. El equipo de Carnegie se ha embarcado en su propio experimento sobre esta clase de trihidruros para comprobar estos modelos.

Los autores del artículo de investigación fueron Duck Young Kim, Ralph H. Scheicher, Ho-kwang Mao, Tae E. Kang, y Rajeev Ahuja. El trabajo estuvo patrocinado por EFree, un Centro de Investigación Avanzado de Energía patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Fecha Original: 25 de enero de 2010
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Científicos explican cómo puede ser posible que los planetas Urano y Neptuno tengan océanos de diamante líquido.

La investigación se llevó a cabo tomando medidas detalladas del punto de fusión del diamante. Cuando se funde un diamante se comporta como el agua durante su congelamiento y fusión, con formas sólidas flotando sobre la forma líquida. El diamante es un material muy duro, lo que hace difícil su fusión. Medir el punto de fusión del diamante es muy difícil debido a cuando se calienta a temperaturas tan altas el diamante cambia a grafito.

Dado que es el grafito y no el diamante lo que se vuelve líquido, los científicos se enfrentaban al problema de fundir el diamante sin convertirlo en grafito.

Los científicos solventaron este problema exponiendo el diamante a presiones extremadamente altas atacándolo con lásers. El diamante se licuó a presiones 40 millones de veces superiores a las que se encuentran al nivel del mar en la Tierra.

Cuando la presión baja a 11 millones la del nivel del mar en la Tierra y la temperatura cae a 50 000 grados, empiezan a aparecer trozos de diamante.

Los científicos descubrieron algo que no esperaban, después de que dejase de caer la presión, la temperatura del diamante seguía siendo la misma, formándose cada vez más trozos de diamante. Los pedazos de diamante no se hundían, sino que flotaban sobre el diamante líquido, creando icebergs de diamante.

Estas temperaturas y presiones ultra-altas se hallan en los enormes planetas gigantes gaseosos como Neptuno y Urano.

Neptuno y Urano se estima que están formados por carbono en un 10 por ciento. Un gran océano de diamante líquido podría desviar o inclinar el campo magnético con respecto a la alineación con la rotación del planeta.

La única forma que tienen los científicos de saber con seguridad si existe el diamante líquido en estos planetas gaseosos gigantes es enviando una nave científica a uno de ellos o simulando las condiciones en la Tierra. Ambos métodos serían muy caros y necesitarían años de preparación.

El artículo se ha publicado en la revista Nature Physics.

Más información: Nature Physics 6, 9-10 (1 de enero de 2010); doi:10.1038/nphys1491

Autor: John Messina
Fecha Original: 18 de enero de 2010
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Ciertas nanopartículas tienden a formar cúmulos de moleculares estables debido a que las fuerzas de Casimir entre ellas las repelen a cortas distancias pero las atraen en las grandes.

El Efecto Casimir es una fuente constante de fascinación para los físicos. El efecto existe debido a la naturaleza cuántica del vacío que está lleno de ondas electromagnéticas apareciendo y desapareciendo de la existencia.

Coloca dos placas conductoras paralelas juntas en este vacío y las ondas más grandes no encajarán dentro. Por lo que las ondas exteriores empujan a la placa para unirse. Ésta es la famosa Fuerza de Casimir, que se midió por primera vez con precisón en 1997.

En los últimos años, no obstante, los físicos han calculado que la combinación de varios materiales diferentes de distintas formas generarían fuerzas repulsivas (aunque esta fuerza aún tiene que medirse).

Hoy, Alejandro Rodríguez y sus colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge dicen que eligiendo cuidadosamente distintos materiales y tamaños de nanopartículas, la fuerza atractiva y repulsiva de Casimir debería llevar a una configuración estable; una molécula de Casimir, podríamos decir.

En un impresionante análisis, Rodríguez y sus colegas calcularon las fuerzas de Casimir para combinaciones de bloques infinitos hechos de dióxido de silicio y silicio alternativamente, para nanopartículas y eslabones y esferas alternativos.

Pero su análisis más interesante está en las fuerzas entre las nanoesferas de teflón y silicio inmersas en etanol. Eligiendo cuidadosamente los radios de estas esferas pueden quedar suspendidas en contra de la fuerza de la gravedad sobre un bloque infinito. Resulta que las fuerzas entre las partículas es respulsiva a una separación menor de 100nm pero se vuelve atractiva conforme aumenta la distancia.

Claramente esta es una situación fascinante en la cual las esferas deberían formar un “dicúmulo” estable sin tocarse. Es más, éste es un experimento que podría realizarse de forma relativamente fácil actualmente, siempre que el tamaño de las nanopartículas puede ser controlado con la precisión requerida.

Éste es un tema interesante pero estos experimentos siempre están llenos de dificultades. El equipo del MIT reconoce que siquiera calcular el signo de la Fuerza de Casimir en geometrías complejas es tremendamente complicado.

Esto es en parte debido a que las Fuerzas de Casimir no son aditivas como las fuerzas convencionales. Por lo que cuando se tiene en cuenta más de una fuerza, la complejidad de los cálculos aumenta rápidamente. (En este caso, hay fuerzas repulsivas y atractivas entre las esferas así como la fuerza de suspensión sobre el bloque infinito).

Por esto es por lo que no es posible generalizar fácilmente el efecto aún más, tal vez para crear toda una lámina de nanopartículas estables. Si este tipo de cristales de Casimir 2D es incluso posible, aún no se sabe.

Pero el equipo del MIT dice que la configuración de nanopartículas de teflón-silicio debería ser un buen punto de partida para la investigación experimental. ¡Que tengan buena suerte!

Una pregunta que el equipo no aborda en el artículo es para qué podrían ser útiles las moléculas y cristales de Casimir. Cualquier sugerencia será bien recibida.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/0912.2243: Non-touching Nanoparticle Diclusters Bound By Repulsive and Attractive Casimir Forces

Fecha Original: 15 de diciembre de 2009
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La rectificación de corriente alterna y su conversión en corriente continua en semiconductores es bien conocida. Ahora, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid han descubierto en materiales superconductores bajo campo magnético una propiedad parecida: la aparición de un campo eléctrico permanente en el superconductor cuando por éste pasa una corriente alterna de muy alta frecuencia.

Recientemente se ha descubierto que en una película delgada superconductora podía observarse un campo eléctrico permanente cuando se inyectaba una corriente eléctrica alterna en el superconductor y éste estaba sometido a un campo magnético constante. Sin embargo, este efecto sólo se había observado en películas en las que, mediante técnicas modernas de preparación, se habían colocado defectos con una disposición asimétrica, y en el rango de frecuencias de uno a diez kilohercios.

El campo magnético puede penetrar en superconductores de cierta clase, pero lo hace de un modo muy especial. Entra en forma de tubos aislados entre sí, denominados vórtices. La inyección de una corriente eléctrica provoca el movimiento de estos vórtices, lo que da lugar a la aparición de resistividad eléctrica y, por tanto, de un campo eléctrico. El papel de los defectos en estos materiales es “anclar” los vórtices dificultando su movimiento. Se pensaba que si la corriente eléctrica es alterna y perfectamente simétrica el efecto se compensaría y el campo eléctrico promedio sería nulo.

El trabajo realizado por el grupo de investigación de Raúl Villar y Farkhad Aliev, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid, en colaboración con la Universidad de Leuven (Bélgica), comenzó con un estudio análogo, pero con películas con defectos simétricos, y ampliando el rango de frecuencias de la corriente alterna inyectada hasta 150 megahercios. Al observarse que el efecto subsistía e incluso aumentaba su magnitud a determinadas frecuencias elevadas, se continuó el estudio con películas superconductoras en las que no se habían colocado defectos. El resultado fue que el efecto de rectificación (convertir la corriente alterna en corriente continua) no sólo subsiste sino que aumenta hasta cinco veces en magnitud. Este resultado es muy inesperado y en el trabajo, publicado en New Journal of Physics, se desarrollan algunas ideas teóricas para su explicación. Ideas que están basadas en la asimetría natural del proceso de entrada y de salida de los vórtices por el borde de la película.

Puede subrayarse que el efecto rectificador observado tiene características muy complejas. Sólo aparece a temperaturas inferiores a la temperatura crítica del material. Por encima de esta temperatura, el material se convierte en un metal normal y no hay rectificación, lo cual implica que, efectivamente, el efecto se debe al movimiento de los vórtices. Además, el efecto subsiste hasta temperaturas bastante inferiores a la temperatura crítica, lo cual tampoco había sido observado, y es una propiedad muy interesante para posibles aplicaciones.

Además de su interés en la física básica, los superconductores dan lugar a importantes y variadas aplicaciones, aún cuando estos materiales sólo mantienen esta condición a muy bajas temperaturas. El efecto descubierto en este trabajo podría tener aplicación en el desarrollo de la electrónica superconductora a altas frecuencias.

Fecha Original: 30 de noviembre de 2009
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La forma en que se mueve la luz, con su velocidad fija y su capacidad para actuar como onda o partícula, a menudo lleva a unas de las paradojas más curiosas de la física. Se ha encontrado una nueva: Haz agujeros en una película de oro tan fina que sea casi semitransparente, y pasará menos luz a través de ella.

Debido a su naturaleza ondulatoria, la luz normalmente no puede atravesar un agujero cuya anchura es menor que la longitud de onda. En 1998, no obstante, los investigadores descubrieron que la luz podía pasar a través de ciertos patrones de agujeros en finas plascas de metal. Los físicos imaginaron que la luz creaba ondas en los electrones del metal – llamados plasmones – que se mueven a través de la superficie del material de la misma forma que se mueven las olas en el agua. Los plasmones, que tienen longitudes de onda mucho más cortas que la de la luz, se acoplan entre sí a través de los diminutos agujeros que arrastran la luz. Una posible aplicación es usar los plasmones para construir curcuitos integrados ópticos que serían tan rápidos como la fibra óptica pero menos voluminosos.

Encaminados hacia este fin, investigadores de la Universidad de Stuttgart en Alemania colocaron películas muy finas de oro sobre piezas de vidrio y usaron entonces rayos de iones para agujerear la película con huecos ordenados en una formación cuadrada regular. Estos agujeros eran menores que la longitud de onda de la luz y, a pesar de ser tan diminutos, son justo el tipo de aperturas que se ha demostrado que permiten el paso de la luz a través de la película más gruesa y opaca usada en el experimento de 1998. Pero en el nuevo experimento, la película de oro era tan fina – sólo 20 nanómetros – que la luz ya podía pasar a través de la misma. Y sorprendentemente, pasaba menos luz a través del oro agujereado que en la película original semitransparente.

¿Por qué? Los investigadores culpan a la naturaleza semitransparente de la película de oro, la cual permite que el 40% de la luz fluya directamente a través de la misma, evitando que se detenga en la superficie para ayudar a formar plasmones. Los plasmones se forman por el empuje de energía que logran de la luz incidente, combinado con cómo las ondas de electrones de los plasmones se desplazan sobre la geometría de los agujeros, por lo que la luz tiene que se ajustada a la geometría específica para maximizar los plasmones. En este caso, que deja fuera el 60% de la luz simplemente no se combina con la geometría para crear plasmones que pueden pasar a través de los agujeros de oro, según informa el equipo esta semana en Physical Review Letters.

El físico Martin P. van Exter de la Universidad Leiden en los Países Bajos dice que la interferencia entre la geometría de agujeros y la transmisión de luz es la esperada, por lo que los resultados no deberían ser una gran sorpresa. No obstante, también señala que el oro posiblemente absorbe luz de una forma peculiar – es más, esto podría ser lo que lleva a su color dorado en lugar de el plateado más típico de la mayoría de metales – y es posible que esto contribuya a los resultados.

El miembro del equipo Bruno Gompf dice que el siguiente paso es ver si otros patrones de agujeros – hexagonal, rectangular, aperiódico – muestran el mismo efecto. Tal vez un patrón particular podría servir como filtro para bloquear ciertas longitudes de onda en futuros chips integrados plasmónicos, comenta.

Más información en Experientia Docet

Autor: Karen Fox
Fecha Original: 13 de noviembre de 2009
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El hidrógeno es el más común de los elementos del universo y es un gas aislante. El hidrógeno también es el más simple de los elementos: contiene un protón y un electrón.

Pero a altas presiones el hidrógeno puede transformarse en un superconductor y los científicos de la Institución Carnegie en Washington D.C, dicen que han descubierto un compuesto basado en hidrógeno que podría ser de ayuda en la búsqueda de formas metálicas y superconductoras de hidrógeno.

Debido a que el hidrógeno es tan ligero, la teoría cuántica dice que tendrá una energía significativa incluso cuando se enfríe a temperaturas muy bajas. Esto es por lo que el hidrógeno sólo se solidifica a apenas 14 grados por encima del cero absoluto.

Los científicos predijeron que debería ser posible formar un metal a partir del hidrógeno, pero que las presiones requeridas para ello – unas cuatro millones de atmósferas – superan a las del centro de la Tierra.

Formando compuestos de hidrógeno con otros elementos como el silicio (Si) es posible crear formas bastante densas de hidrógeno que se convierten en metales a presiones más accesibles experimentalmente. De hecho, SiH₄ se convierte en un metal a aproximadamente una décima parte de la presión necesaria para hacer hidrógeno metálico puro, y un superconductor a aproximadamente 1 millón de atmósferas.

En su artículo, Timothy Strobel, Maddury Somayazulu, y Russell Hemley presentan experimentos extensivos a altas presiones en una mezcla de SiH₄ y H₂. A presiones de apenas ~ 7.5 GPa, descubrieron un nuevo compuesto – SiH₄(H₂)₂ – en el cual los enlaces de hidrógeno eran inusualmente débiles y podía convertirse en un metal a presiones mayores.

El objetivo final de tales estudios es generar condiciones bajo las cuales el hidrógeno se convierte de forma efectiva en un metal, y con suerte un superconductor, a presiones menores de las requeridas para el hidrógeno sólido puro.

Se informa de los resultados en la revista Physical Review Letters.

Fecha Original: 3 de agosto de 2009
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Incluso Albert Einstein estaría impresionado. Su Teoría de la Relatividad General, la cual describe cómo la gravedad de un objeto masivo, tal como una estrella, puede curvar el espacio y el tiempo, ha sido usada con éxito para predecir tales observaciones astronómicas como la curvatura de la luz estelar por parte del Sol, pequeños desplazamientos en la órbita de Mercurio y el fenómeno conocido como lente gravitatoria. Hora, no obstante, puede que pronto sea posible estudiar los efectos de la relatividad general en experimentos de sobremesa en un laboratorio.

Xiang Zhang, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos (Berkeley Lab) y profesor de la Universidad de California en Berkeley, lideró un estudio en el que se determinó que la interacción de luz y materia con el espacio-tiempo, como predice la relatividad, puede estudiarse usando una nueva rama de materiales ópticos artificiales que tienen la extraordinaria característica de curvar la luz y otras formas de radiación electromagnética.

“Proponemos un vínculo entre el campo recientemente surgido de los materiales ópticos artificiales con el de la mecánica celeste, abriendo de esta forma una nueva posibilidad de investigar fenómenos astronómicos en una configuración de sobremesa en un laboratorio”, dice Zhang. “Hemos introducido una nueva clase de medios ópticos específicamente diseñados que pueden imitar los movimientos periódicos, cuasi-periódicos y caóticos que observamos en los objetos celestes que han estado sujetos a complejos campos gravitatorios”.

Un artículo que describe este trabajo está disponible on-line en la revista Nature Physics. El artículo se titula: “Mimicking Celestial Mechanics in Metamaterials (Imitando la Mecánica Celeste en Metamateriales)”. Los coautores junto con Zhang fueron sus estudiantes de posdoctorado Dentcho Genov y Shuang Zhang.

Zhang, investigador principal de la División de Ciencias de los Materiales en el Laboratorio de Berkeley y director del Centro de Ciencia a Nanoescala e Ingeniería de la UC en Berkeley, ha sido uno de los pioneros en la creación de materiales ópticos artificiales. El año pasado, tanto él como su grupo de investigación llegaron a las portadas cuando desarrollaron unos metamateriales únicos – compuestos de metales y dieléctricos – que eran capaces de curvar la luz hacia atrás, una propiedad conocida como refracción negativa que no tiene precedentes en la naturaleza. Más recientemente, él y su grupo desarrollaron una “alfombra de encubrimiento” a partir de silicio nanoestructurado que ocultaba la presencia de objetos colocados bajo ella de la detección óptica. Estos esfuerzos no sólo sugirieron que los materiales verdaderamente invisibles estaban al alcance, dijo Zhang, sino que también representó un gran paso adelante en la transformación óptica que “abriría la puerta a la manipulación de la luz a nuestra voluntad”.

Ahora, él y su grupo de investigación han demostrado que una nueva clase de metamateriales conocidos como “trampas de fotones de índice continuo” o CIPTs pueden usarse como cavidades ópticas “perfectas” libres de radiación y de banda ancha. Como tales, los CIPTs pueden controlar, frenar y atrapar la luz de una manera similar fenómenos tales como los agujeros negros, atractores extraños y lentes gravitatorias. Esta equivalencia entre el movimiento de las estrellas en un espacio-tiempo curvado y la propagación de la luz en metamateriales ópticos diseñados por ingeniería en un laboratorio es conocida como la “analogía óptico-mecánica”.

Zhang dice que tales metamateriales especialmente diseñados pueden ser de valor para estudiar el movimiento de cuerpos celestes masivos en potenciales gravitatorios bajo un entorno controlado de laboratorio. Las observaciones de tales fenómenos celestes por parte de los astrónomos a veces necesitan un siglo de espera.

“Si curvamos nuestro espacio metamaterial óptico en nuevas coordenadas, la luz que viaja en línea recta en el espacio real se torcerá en el espacio curvado de nuestra ótica transformacional”, dice Zhang. “Esto es muy similar a lo que sucede con la luz estelar cuando se mueve a través de un potencial gravitatorio y experimenta la curvatura del espacio-tiempo. Esta analogía entre el electromagnetismo clásico y la relatividad general, puede permitirnos usar metamateriales ópticos para estudiar fenómenos de la relatividad tales como lentes gravitatorias”.

En sus estudios de demostración, el equipo mostró un compuesto de aire y dieléctrico de Galio, Indio, Arsénico y Fósforo (GaInAsP). Este material proporcionó operaciones en el rango del espectro infrarrojo y logró un alto índice refractivo con baja absorción.

En su artículo, Zhang y sus colaboradores citan como un proyecto particularmente intrigante para la aplicación de materiales ópticos la analogía mecánico-óptica del estudio del fenómeno conocido como caos. La aparición del caos en los sistemas dinámicos es uno de los problemas más fascinantes de la ciencia y se observa en áreas tan diversas como el movimiento molecular, la dinámica de poblaciones y la óptica. En particular, un planeta alrededor de una estrella puede pasar por un movimiento caótico si una perturbación, tal como otro gran planeta, está presente. No obstante, debido a las grandes distancias espaciales entre los cuerpos celestes, y los largos periodos implicados en el estudio de la dinámica, la observación directa del movimiento planetario caótico ha sido un reto. El uso de la analogía mecánico-óptica puede permitir que tales estudios se completen a demanda en una configuración de sobremesa en un laboratorio.

“Al contrario que los astrónomos, no tendremos que esperar 100 años para lograr resultados experimentales”, dice Zhang.

Autor: Lynn Yarris
Fecha Original: 20 de julio de 2009
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