Físicos de España y el Reino Unido han calculado que el grafeno – una capa de carbono de apenas un átomo de grosor – podría usarse para crear un absorbente perfecto de la luz si es dopado y colocado en una organización periódica. El trabajo podría llevar a unos dispositivos mejorados de fotodetección, particularmente en la parte infrarroja del espectro electromagnético, donde las tecnologías actuales tienen problemas de funcionamiento.

La afirmación es extraordinaria, dado que los materiales convencionales normalmente necesitan tener miles de átomos de grosor para absorber completamente la luz. “La predicción de que una capa de material de apenas un átomo de grosor puede absorber la luz por completo es notable y excitante”, dice el jefe del equipo F. Javier García de Abajo del Instituto de Óptica en Madrid.

Modelo de estructura del grafeno © by CORE-Materials

“La capa en cuestión es grafeno en un patrón de ordenación periódica de nanodiscos”, explica García de Abajo. La estructura absorbe luz confinándola a regiones que son cientos de veces menores que la longitud de onda de la luz. Esto se hace aprovechando los plasmones que aparecen dentro de las estructuras individuales de nanodiscos. Los plasmones son oscilaciones colectivas cuantizadas de los electrones dentro de un nanodisco – e interactúan con mucha fuerza con la luz.

Dopando con electrodos

El confinamiento de la luz en el grafeno sólo es posible si el material está cargado eléctricamente. Y la longitud de onda a la que puede quedar confinada la luz depende de cuánto se carga el material. También conocido como dopaje, debido a que tiene un efecto similar al de introducir impurezas en los semiconductores convencionales, la carga se consigue fácilmente colocando electrodos cerca del grafeno. La cantidad de carga puede controlarse variando el voltaje aplicado a los electrodos.

En sus cálculos, el equipo estudió cómo el patrón del grafeno absorbía la luz en el rango del espectro electromagnético del infrarrojo medio y cercano. Los investigadores dicen que sería fácil extender sus resultados a otros rangos de longitudes de onda, hacia el infrarrojo medio y el régimen de terahertzs, por ejemplo, aplicando directamente las ecuaciones analíticas que emplearon. “Todas estas regiones espectrales son especialmente interesantes, con potenciales aplicaciones en imágenes, sensores y detección”, dice García de Abajo. “Necesitamos dispositivos de buena absorción de luz en este rango de longitudes de onda, debido a que los detectores actuales no tienen un buen rendimiento aquí. Nuestro trabajo puede incluso proporcionar un puente para este famoso ‘hueco de terahertz’”.

La separación es justo la correcta

Los investigadores dicen que los nanodiscos son capaces de absorber grandes cantidades de luz debido a que estas estructuras individuales de grafeno están ordenadas a una distancia bien definida unas de otras. Si están demasiado cerca, la luz puede re-emitirse de vuelta y ser reflejada. Por otra parte, no se absorbe suficientemente si los nanodiscos se colocan demasiado lejos. Un efecto similar puede obtenerse con otros patrones de grafeno, específicamente con lazos, los cuales según los investigadores son más fáciles de dopar.

La luz también produce campos inducidos cerca de los nanodiscos. Estos campos están hechos de ondas evanescentes – ondas electromagnéticas que decaen exponencialmente desde una estructura. “El mecanismo, por tanto, no es un efecto de difracción en el sentido de onda clásica en el cual dos o más ondas que se propagan interfieren y forman patrones limitados de tamaño, de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz”, explica García de Abajo. “En lugar de esto, lo que se da es un acoplamiento crítico”.

El equipo, que incluye a científicos del ICFO en Barcelona y del Centro de Investigación Optoelectrónica en la Universidad de Southampton, planea ahora explorar otros efectos ópticos extraordinarios en el grafeno – posiblemente hasta el límite cuántico con estudios sobre los efectos en fotones aislados. “También esperamos analizar materiales alternativos, tales como aislantes topológicos, que podrían producir efectos similares”, revela García de Abajo.

El trabajo se describe en Phys. Rev. Lett. 108 047401.

Autor: Belle Dumé
Fecha Original: 26 de enero de 2012
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Los físicos han simulado dos universos colisionando dentro de un metamaterial.

Una forma interesante en la que podría haberse formado nuestro cosmos es en una colisión entre dos universos con dimensiones espaciales adicionales, llamados mundobranas.

En este escenario, conocido como modelo ekpirótico del universo, nuestro cosmos es simplemente un pequeño rincón de cuatro dimensiones dentro de un espacio mucho más complejo.

El modelo ekpirótico es interesante debido a que lleva a un universo plano como el nuestro sin necesidad de inflación, el periodo justo tras el Big Bang en el cual nuestro universo supuestamente se expandió muchos órdenes de magnitud en un parpadeo.

Sin inflación, nuestro universo simplemente es demasiado grande para haberse formado en un evento del tipo Big Bang. Pero nadie sabe qué podría causar un incremento de tamaño tan drástico. De aquí el interés en otra forma de explicar nuestra existencia.

Si te estás preguntando qué colisiona realmente en la versión ekpirótica de eventos, la respuesta es muros de un dominio de Minkowski, básicamente los bordes de universos con distintas dimensiones espaciales.

Es fácil imaginar que los muros de un dominio de Minkowski son completamente teóricos. Y, efectivamente, así era hasta ahora.

Hoy, Igor Smolyaninov y Yu-Ju Hung de la Universidad de Maryland en College Park dicen haber creado unos muros de un dominio de Minkowski por primera vez en el laboratorio, e incluso los han usado para simular la colisión de dos mundobranas.

El truco que han usado estos chicos es una analogía formal entre las matemáticas del espacio-tiempo y las de los espacios electromagnéticos. Los físicos han sabido desde la época de Einstein que es posible curvar y distorsionar el tejido del espacio-tiempo – nuestro universo parece estar distorsionado de esta misma forma en varias escalas cósmicas.

Pero sólo durante la última década han aprendido cómo hacer lo mismo a una escala mucho menor con espacios electromagnéticos. Lo que disparó ésto fue el desarrollo de los metamateriales: sustancias artificiales que pueden curvar la luz en casi cualquier forma imaginable.

Smolyaninov está fascinado por una versión de este material conocido como metamaterial hiperbólico. Dentro de esta sustancia, la luz monocromática se propaga de una forma similar a la de las partículas masivas en un espacio-tiempo de Minkowski, donde una coordenada espacial toma el papel del tiempo.

Los metamateriales hiperbólicos son, básicamente, una serie de capas de metal separadas por un dieléctrico. Smolyaninov ha usado este material pasa simular un número de interesantes aspectos de la cosmología, incluyendo el propio Big Bang.

La colisión entre universos es una variante de ésto. “El escenario de “universos en colisión” puede verse como una extensión simple de nuestros anteriores experimentos que simulan la geometría espacio-temporal en la vecindad del Big Bang”, comenta.

Simula un universo en expansión usando anillos concéntricos de oro separados por un dieléctrico. “Cuando los dos patrones de anillos concéntricos (universos) se tocan entre sí (colisionan), se crea un muro de un dominio de Minkowski, en el cual las bandas metálicas se tocan entre sí en un pequeño ángulo”, comenta.

Ser capaz de recrear estos exóticos eventos en el laboratorio es ciertamente interesante, pero está empezando a perder su novedad. El problema es que este trabajo no nos dice nada que no supiéramos – el universo se comporta igual dentro de un metamaterial que fuera de él.

Lo que Smolyaninov necesita es una forma de usar estos exóticos metamateriales para hacer algo interesante. En otras palabras, necesita una aplicación estrella (killer app). ¿Alguna idea?

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1201.5348: Collision Of “Metamaterial Universes”: Experimental Realization Of Minkowski Domain Wall

Fecha Original: 30 de enero de 2012
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El nuevo trabajo sobre gases ultrafríos puede también ayudar a los científicos a comprender los superconductores de alta temperatura y las estrellas de neutrones.

Cada vez que hierves agua en una tetera, eres testigo de un fenómeno conocido como transición de fase – el agua se transforma de un líquido a un gas, como puedes observar en el burburjeante agua y siseante vapor. Físicos del MIT han observado ahora una transición de fase mucho más esquiva: de gas a superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción.

El trabajo del MIT, publicado la semana pasada en la edición en línea de Science, también arroja luz sobre la superconductividad de los electrones en metales, incluyendo superconductores de alta temperatura que tienen el potencial de revolucionar la eficiencia energética.

Levitación magnética por superconductores © by sach1tb

Los investigadores, liderados por el Profesor Ayudante de Física en el MIT Martin Zwierlein, llevaron a cabo su experimento con un isótopo de litio que tiene un número impar de electrones, protones y neutrones. Tales partículas se conocen como fermiones. Para convertirse en un superfluido y fluir sin fricción, los fermiones tienen que agruparse en parejas. Ésto es lo que sucede en los superconductores, donde los electrones forman lo que se conoce como pares de Cooper, los cuales pueden fluir sin resistencia.

Análogo a la transición de agua a vapor, la transición de superfluido (pares) a gas normal (átomos aislados no emparejados) debería verse acompañada de un drástico cambio en la presión, densidad y energía del gas. Para observar directamente tal transición en un gas, el equipo del MIT tenía primero que atrapar el gas de litio en una trampa de átomos (en la cual los átomos quedan anclados por campos electromagnéticos) y enfriarlos a temperaturas ultrabajas – menos de una cienmilmillonésima de grado sobre el cero absoluto.

En este punto, se espera que se forme un superfluido que conste de pares de átomos en el centro de la trampa atómica, rodeado por una región normal de átomos desparejados. Entonces se usó una luz para arrojar la sombra de esta nube atómica sobre una cámara.

Usando las imágenes de la sombra, Zwierlein y los estudiantes graduados del MIT Mark Ku, Ariel Sommer y Lawrence Cheuk se propusieron medir con precisión la relación entre presión, densidad y temperatura del gas. La relación entre estas tres variables se conoce como “ecuación de estado” del sistema. (Por ejemplo, para el vapor de la tetera, se sabe que cuando aumenta la temperatura, la presión también aumenta). Una ecuación de estado determina completamente las propiedades termodinámicas de un sistema, incluyendo sus transiciones de fase.

Un nuevo ‘termómetro’

Un obstáculo en anteriores experimentos sobre la termodinámica de los gases ultrafríos era la ausencia de un termómetro fiable que pudiese medir la temperatura de una ráfaga de gas 10 millones de veces más fría que el espacio interestelar. Los  investigadores resolvieron este problema caracterizando cuidadosamente las propiedades de su trampa atómica.

“Como geómetras que miden las curvas de nivel de un paisaje, determinamos la forma exacta de nuestra trampa”, explica el estudiante graduado Mark Ku. “Estas curvas de nivel nos sirvieron luego como termómetro”.

Piensa en la trampa como en un valle lleno de niebla: En las regiones más altas, se encontrarían las regiones de niebla menos densa, mientras que en las zonas bajas del valle la niebla se vuelve más densa. Midiendo tres cantidades – la densidad del gas en una curva de nivel dada, su cambio de una línea a la siguiente y la cantidad total de gas encontrado en el camino hacia esa altitud – los investigadores pudieron determinar la ecuación de estado de su gas de fermiones.

Los átomos de estos gases interactúan con fuerza, no muy distinto a los electrones en los superconductores de alta temperatura. El mecanismo exacto para la superconductividad aún no se comprende por completo, y por el momento, los físicos no han sido capaces de predecir materiales que se hagan superconductores a temperatura ambiente. El equipo del MIT ha medido ahora la temperatura crítica para la superfluidez en su gas atómico de Fermi y han demostrado que, escalando hasta la densidad de electrones en un metal, la superfluidez tendría lugar muy por encima de la temperatura ambiente.

El nuevo trabajo representa un “magnífico logro”, dice Wilhelm Zwerger, Profesor de Física en la Universidad Técnica de Múnich en Alemania que no estuvo implicado en el estudio. De acuerdo con Zwerger, determinar la transición de fase para los superfluidos no sólo arroja luz sobre los gases de Fermi, sino que también podría ayudar a los científicos a comprender mejor la ecuación de estado para las increíblemente densas estrellas de neutrones, que son más pesadas que el Sol pero tienen un diámetro de apenas 12 kilómetros.

Autor: Anne Trafton
Fecha Orginal: 18 de enero de 2012
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Los materiales exóticos llevarían a nuevas formas de observar y jugar con uno de los efectos más extraños de la física, dicen físicos chinos.

Los metamateriales son sustancias exóticas diseñadas para dirigir las ondas electromagnéticas en formas que son imposibles con materiales normales. Una de las propiedades más apasionantes es que pueden curvar la luz de una forma que es matemáticamente equivalente a la forma en que el espacio-tiempo curva la luz.

Esta equivalencia formal significa que los metamateriales pueden reproducir en el laboratorio el comportamiento exacto de la luz, no sólo en nuestro espacio-tiempo, sino en muchos otros que, por el momento, sólo se han propuesto teóricamente. Esto permite a los físicos usar metamateriales para simular agujeros negros, el Big Bang e incluso multiversos.

Efecto Casimir

Hoy, Tian-Ming Zhao y Rong-Xin Miao de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei usan este tipo de planteamiento para hacer una asombrosa predicción acerca del efecto Casimir dentro de ciertos metamateriales.

El efecto Casimir surge debido a que nuestro vacío está repleto de una ingente cantidad de ondas que aparecen y desaparecen en las escalas más pequeñas. La consecuencia más conocida de ésto es la famosa fuerza de Casimir, que empuja a unirse a dos placas conductoras colocadas muy cerca una de otra.

La explicación es que, cuando la distancia entre las placas es lo bastante pequeña, se puede excluir cualquier onda que sea demasiado grande para encajar en el hueco. Dado que no hay nada entre las placas que se oponga al efecto de estas ondas, generan una fuerza que empuja a las placas a unirse.

Esta fuerza de Casimir funciona a una escala diminuta, tan pequeña que sólo se midió por primera vez en 1997. Pero no es insignificante. A una separación de 10 nm, la fuerza es equivalente a una atmósfera (aunque la fuerza real depende de varios factores como la forma precisa de los objetos a una gran proximidad).

Desde luego, las propiedades de las ondas del vacío dependen mucho del medio en el que viven. Por lo que no es difícil imaginar que distintos espacio-tiempos podrían tener un impacto significativo en el tamaño del efecto Casimir.

Ésto es exactamente lo que demuestran Zhao y Miao. Dicen que en un tipo particular de espacio electromagnético, conocido como espacio de Rindler, el efecto Casimir es enorme. La idea básica aquí es que el espacio puede diseñarse para permitir que sólo aparezcan ciertas longitudes de onda. Si las propiedades electromagnéticas del espacio de Rindler se igualan con la temperatura ambiente, entonces puede crearse este tipo de ondas térmicas para dominar la energía de Casimir.

Ésto hace que la energía de Casimir sea colosal. Zhao y Miao calculan que en un laboratorio a 300K (temperatura ambiente), la energía de Casimir sería unas 10¹¹ veces mayor que su valor en el espacio vacío. Ésta es una diferencia significativa que debería hacer accesibles, de una forma totalmente nueva, estos efectos a una audiencia mucho más amplia.

Zhao y Miao también dicen que este tipo de material debería ser relativamente fácil de construir, capa a capa.

Lo que ésto significa es que no pasará mucho tiempo hasta que alguien construya este tipo de material y demuestre el efecto de Casimir gigante por primera vez. Estaremos a la espera.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1110.1919: Huge Casimir Effect At Finite Temperature In Electromagnetic Rindler Space

Fecha Original: 5 de diciembre de 2011
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Barras de metal superconductor podrían revolucionar la detección de ondas gravitatorias.

Las ondas gravitatorias son vibraciones en el tejido del espacio-tiempo. Están entre los fenómenos más apasionantes del universo, debido a que se generan mediante procesos exóticos, tales como colisiones entre agujeros negros e incluso en el momento de la propia creación, el Big Bang.

Por lo que encontrar una forma de estudiarlas es un tema importante para los astrónomos.

Ondas gravitatorias © by NASA Goddard Photo and Video

Pero hay un problema. Las ondas gravitatorias comprimen y estiran el espacio conforme viajan, pero sus efectos son minúsculos. Los físicos calculan que las ondas que pasan a través de la Tierra cambian la distancia entre Londres y Nueva York aproximadamente el ancho de un núcleo de uranio.

Esto hace que sean tan difíciles de observar, aunque la actual generación de detectores gravitatorios debería ser capaz de captar este nivel de cambio (a menos que alguien haya equivocado mucho sus cálculos).

Sin embargo, nadie ha observado directamente ondas gravitatorias.

Por lo que una nueva forma de encontrar a estas bestias seguramente tendrá un gran interés. Hoy, Armen Gulian de la Universidad Chapman en Maryland, y unos colegas, esbozan un nuevo tipo de detector que tiene el potencial de ser mucho más pequeño que los colosos actuales.

Los detectores convencionales son gigantescos interferómetros en forma de L con cada brazo con una longitud de cientos de metros. En el extremo de cada brazo hay un espejo, de forma que un rayo láser pueda ir hacia delante y atrás a lo largo del bazo e interferir consigo mismo.

Cualquier cambio en la longitud de los brazos debería mostrarse en algún cambio en el patrón de interferencia resultante.

Gulian y compañía tienen una idea distinta. Imagina una barra de metal superconductor que sufra el impacto de una onda gravitatoria. Las ondas actúan sobre todas las masas dentro de la barra, pero el movimiento resultante de la red metálica, que está fija, será muy diferente del movimiento de los electrones superconductores, que están totalmente desligados y tienen libertad de movimientos.

“Por tanto, la onda tenderá a acelerar los electrones adelante y atrás, hacia y alejándose de los extremos de la barra”, dicen.

Luego, colocan otra barra superconductora en el extremo de la primera, pero en un ángulo recto. Mientras que la primera barra se verá comprimida por una onda gravitatoria, la segunda se estirará. Por lo que los electrones de esta barra también oscilarán, aunque desplazados medio periodo respecto a la primera.

Finalmente, si se conectasen estas barras mediante un cable superconductor, debería fluir una corriente oscilante entre ellas.

Hay otras sutilezas en el diseño, en gran parte para lidiar con la naturaleza de los superconductores, pero éste es, esencialmente, el principio que esbozan.

Pasan luego a describir cómo podría funcionar un detector tan pequeño, hecho de barras de apenas unas decenas de centímetros de largo. Una onda gravitatoria debería generar una corriente de unos pocos femtoamperes, un nivel que podría ser detectable con equipos comerciales.

El ruido, sin embargo, podría ser un problema. Pero Gulian y sus colegas dicen que si se conoce de antemano la frecuencia de las oscilaciones, puede filtrarse gran parte del ruido. Además, el detector podría colocarse dentro de una vasija magnética para apantallar el ruido magnético.

Es una idea interesante que parece que podría ser considerablemente más barata y simple que la próxima generación de herramientas basadas en láser que están siendo diseñadas actualmente para futuras misiones espaciales, tales como LISA (Antena Espacial de Interferómetro Láser). Merece la pena observarlo en más detalle.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1111.2655: : Superconducting Antenna Concept for Gravitational Wave Radiation

Fecha Original: 15 de noviembre de 2011
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Facetas planas, que pueden unirse fácilmente para cubrir cualquier forma, podrían hacer más prácticas las capas de invisibilidad.

La ciencia de la invisibilidad está cambiando rápidamente, desde un enfoque de investigación, a uno de desarrollo. En otras palabras, esta disciplina está pasando a ser de una ciencia a una ingeniería.

Invisibilidad © Crédito: lynnsta

Esto significa que estamos empezando a ver cómo los ingenieros convierten las pocas e increíblemente complejas capas creadas hasta el momento, en unos dispositivos mucho más baratos y simples.

Hoy, Oliver Paul de la Universidad de Kaiserslautern en Alemania, junto a unos amigos, revelan una forma eminentemente práctica de crear capas de invisibilidad de cualquier forma y tamaño.

Su idea es simple. Crear una capa que siga exactamente la forma del objeto que se intenta ocultar es difícil, debido a que es complicado crear las capas curvadas.

En lugar de esto, Paul y compañía aproximan la forma usando facetas planas. Estas ‘teselas de invisibilidad’ encajan entre sí de la misma forma que las facetas triangulares en una animación por computador. Y dado que cada tesela plana es relativamente simple y fácil de crear, se convierte en una forma más sencilla y barata de construir capas complejas.

Hasta el momento es sólo una idea. Su artículo esboza la aproximación, y simula lo bien que una capa creada por un dodecaedro puede ocultar una esfera. La capa formada por facetas no es tan buena como una lisa, pero tampoco es tan mala.

Una pregunta interesante es lo grandes que deberían ser las teselas. Obviamente, unas teselas menores pueden modelar mejor una forma dada, lo cual mejoraría el rendimiento de una capa.

En el otro lado de la balanza están las propiedades de las uniones entre teselas, que es improbable que sean tan invisibles como las mismas. Y dado que unas teselas menores significan más uniones, una cuestión clave es cómo cambia esto la invisibilidad.

Otra pregunta interesante es si las uniones pueden ser flexibles. No es difícil ver como con la ayuda de uniones flexibles, las teselas podrían colocarse sobre un material que se curva y dobla, y por lo tanto, pueden colocarse sobre objetos de casi cualquier forma. Una auténtica capa de invisibilidad.

Desde luego, esto es sólo un primer paso en la ingeniería de este tipo de dispositivos. Pero debería ser mucho más fácil de crear capas basadas en teselas que los diseños actuales.

Uno de los autores de este trabajo es David Smith, de la Universidad de Duke, el hombre que construyó la primera capa de invisibilidad hace casi una década. Una característica importante de este trabajo es que su anuncio teórico ha sido a menudo seguido de rápidas confirmaciones experimentales.

Por lo que, si el pasado nos sirve de referencia, Smith y su equipo ya estarán creando facetas de invisibilidad y formando teselas con todo tipo de formas. Lo que significa que veremos teselas de invisibilidad funcionales más pronto que tarde.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1110.5604: Flat-Face Approximations Of Invisibility Cloaks With Planar Metamaterial Layers

Fecha Original: 27 de octubre de 2011
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¿Alguna vez te has preguntado qué sucedería si de pronto se terminase la dimensión temporal? Un nuevo experimento lo revela.

Una de las áreas más apasionantes de la ciencia es el emergente campo de los análogos del espacio-tiempo. Ésta es la disciplina en la cual los físicos juegan con sistemas que tienen un vínculo matemático formal con la relatividad general.

El final del tiempo © by ♀Μøỳαл_Bгεлл♂

Por ejemplo, los cambios en la forma en que se mueven los electrones dentro del grafeno cuando se enfría, son idénticos a los cambios que pueden haber ocurrido en el universo poco después del Big Bang. Por lo que los físicos pueden usar gráficos de enfriamiento para poner a prueba teorías sobre el comportamiento de los inicios del universo.

Otro ejemplo es la analogía matemática formal entre el comportamiento de la luz en el espacio eletromagnético y en el espacio-tiempo. Esto es interesante debido a que los físicos recientemente han aprendido a manipular el espacio electromagnético usando metamateriales. Esto les ha permitido crear equivalentes electromagnéticos de la espuma cuántica, el Big Bang e incluso todo un multiverso.

Todos estos experimentos son asombrosos (imagina crear un agujero negro en el laboratorio). Por esto es por lo que es difícil superarlos.

Pero a Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland le gusta intentarlo. Hoy, explica cómo ha creado un experimento que modela el final del tiempo.

La idea es simple (¡de verdad!). Los metamateriales pueden crearse para que se comporten como espacios comunes con dos dimensiones del espacio y una temporal. Pero también pueden crearse para que se comporten como otros tipos de espacios, con dos dimensiones del tiempo y una espacial, por ejemplo.

Smolyaninov señala que una situación interesante aparece cuando estos dos materiales se colocan uno a continuación de otro. Si una dimensión del tiempo es perpendicular a una dimensión del espacio, simplemente llega a un callejón sin salida. En otras palabras, se acaba el tiempo.

“Esta situación (que no puede darse en la relatividad general clásica) puede conocerse como ‘final del tiempo’”, dice en un artículo junto a un par de colegas.

No contentos con simplemente pensar sobre tal escenario, estos chicos han ido más lejos y lo construyeron usando un plástico llamado polimetil metacrilato o PMMA, depositado en bandas sobre una película de oro. La luz toma la forma de plasmones que se mueven sobre la superficie.

Pero, ¿qué pasa al final del tiempo? Smolyaninov dice que el campo electromagnético simplemente diverge, lo que es un poco desalentador en un experimento tan lleno de potencial para la ciencia ficción.

Pero es algo interesante, no obstante.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1107.4053: Hyperbolic Metamaterial Interfaces: Hawking Radiation From Rindler Horizons And The “End Of Time”

Fecha Original: 26 de julio de 2011
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Recreando por primera vez el Big Bang dentro de un metamaterial, los físicos han demostrado por qué la flecha cosmológica del tiempo apunta en la misma dirección que la flecha termodinámica del tiempo.

Los metamateriales son estructuras periódicas que pueden diseñarse para dirigir la luz de una forma específica. El truco está en manipular las propiedades del “espacio electromagnético” en el cual la luz viaja controlando los valores de la permitividad y permeabilidad de este espacio.

En los últimos años, los físicos se han divertido mucho usando metamateriales para construir todo tipo de excitantes dispositivos, el más conocido una capa de invisibilidad que desvía la luz alrededor de un objeto, y por tanto lo oculta a la visión.

Pero los metamateriales tienen una aplicación mucho más profunda debido a que hay una analogía formal entre las matemáticas de los espacios electromagnéticos y las de la relatividad general y el espacio-tiempo que describe.

Esto significa que es posible reproducir dentro de un metamaterial una copia exacta de muchas de las características del espacio-tiempo. Ya hemos visto antes una variedad de estas ideas, tales como construir un agujero negro e incluso crear un multiverso.

Hoy Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland en College Park, dice que es posible recrear la flecha del tiempo dentro de un metamaterial. Tal experimento, dice, permite el estudio experimental de uno de los mayores misterios de la ciencia: Por qué la flecha del tiempo cosmológica es la misma que la termodinámica. Al mismo tiempo, el ejercicio ofrece una curiosa visión del potencial viaje en el tiempo. La flecha del tiempo es un viejo misterio. Muchos cosmólogos creen que el universo empezó con el Big Bang, un evento que está claramente en nuestro pasado. Y aún así nuestra definición estándar del tiempo procede de la termodinámica y la observación de que la entropía siempre aumenta con el tiempo.

Por ejemplo, puedes romper fácilmente un huevo, o mezclar la leche en tu té, pero realizar el proceso inverso en complicado. Observar fenómenos como estos definen la flecha del tiempo. Pero, ¿Por qué las flechas del tiempo cosmológicas y termodinámicas deberían apuntar en la misma dirección? Los metamateriales pueden ayudar a los investigadores a estudiar este problema debido a que es posible manipularlos de forma que las dimensiones espaciales se conviertan en temporales. Smolyaninov describe cómo crear un metamaterial en el cual las direcciones x e y son espaciales mientras que la z es temporal. La forma en que se mueve la luz en este espacio es exactamente análoga al comportamiento de una partícula masiva en un espacio-tiempo de Minkowski (2+1), que es similar a nuestro universo. Por lo que el patrón de propagación de la luz dentro de este metamaterial es equivalente a las “líneas del universo” de una partícula en un universo de Minkowski.

Smolyaninov dice que un evento de Big Bang en el metamaterial tiene lugar cuando el patrón de rayos de luz se expande en relación a la dimensión z, o en otras palabras, cuando las líneas del universo se expanden como una función del tiempo. Esto establece una flecha del tiempo cosmológica- La siguiente cuestión es cómo se relaciona esta flecha con la termodinámica. Esto requiere una definición de entropía dentro del metamaterial, la cual según Smolyaninov es un tipo de medida del desorden asociado con los rayos de luz. Si los metamateriales son perfectos, los rayos deberían propagarse perfectamente. Pero no son perfectos y, por tanto, distorsionan los rayos conforme pasan. Esto determina una flecha termodinámica del tiempo y demuestra por qué la flecha del tiempo cosmológica es la misma que la termodinámica.

Pero, por supuesto, hay un problema. Aunque hay una analogía matemática formal entre estos espacios, no está del todo claro qué papel desempeña en el espacio de Minkowski la propagación imperfecta de la luz a través de un espacio electromagnético.

En el pasado, los científicos sólo han podido pensar teóricamente sobre estos problemas, pero los metamateriales les permiten ahora estudiarlos experimentalmente.

Sorprendentemente, Smolyaninov y su colega, Yu-Ju Hung, han construido realmente su simulador temporal. Su sistema está hecho usando bandas de plástico con una forma especialmente diseñada sobre un sustrato de oro. Y los rayos de luz son en realidad plasmones que se propagan a través de la superficie del metal mientras que se ven distorsionados por las bandas de plástico.

Esto representa un número de principios básicos. Para empezar, Smolyaninov usa este sistema para recrear el Big Bang en su laboratorio. Lo llama Big Bang de juguete, pero es difícil subestimar el significado de este evento. ¡Un Big Bang en nuestro propio laboratorio!

Luego pasa a usar su modelo para estudiar las flechas del tiempo. Imagina: ¡Tu propia flecha del tiempo hecha a mano!

Este sistema también da una interesante visión sobre la naturaleza de las máquinas del tiempo. La cuestión que Smolyaninov se hace es si es posible crear curvas espacio-temporales cerradas en este material. Esto es equivalente a preguntarse su es posible para las partículas de un espacio de Minkowski viajar en una curva que las lleve al punto del espacio-tiempo en el que empezaron.

Considera esto imaginando un metamaterial cilíndrico en el cual la dimensión z y la dimensión radial son espaciales y la distancia angular alrededor de los cilindros es temporal. Se pregunta su pueden existir curvas en este sistema. “A primera vista, esta cuestión es simple, y la respuesta debería ser ‘sí’”, comenta.

Pero bajo un examen más detallado, la respuesta resulta ser distinta. Señala que aunque es posible que los rayos de luz sigan caminos circulares que los lleven al punto donde empezaron, estos rayos no perciben la dimensión angular como una temporal.

En comparación, cualquier rayo que perciba la dimensión angular como temporal, no puede volver al mismo punto del espacio-tiempo, aunque puede viajar en una línea del universo que está muy cerca de una curva temporal cerrada. Por lo que las máquinas del tiempo, incluso las triviales como ésta, son imposibles.

Es un trabajo realmente impresionante. Smolyaninov es uno de los pensadores principales en el mundo sobre metamateriales y ha hecho mucho por el avance de la teoría que los vincula con los espacios electromagnéticos y de Minkowski.

Ahora está realmente con las manos en la masa. Al crear por primera vez metamateriales que reproducen el Big Bang y las flechas del tiempo que resultan del mismo, seguramente ha logrado un extraordinario hito.

Fecha Original: 6 de abril de 2011
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En apenas una semana, los científicos celebrarán el centenario de la superconductividad: El descubrimiento, en 1911, de que algunos materiales enfriados casi al cero absoluto permiten que la carga eléctrica fluya sin resistencia. Pero ahora un físico cree que la superconductividad puede aparecer cuando no hay ni siquiera un material.

De acuerdo con Maxim Chernodub de la Universidad François-Rabelais de Tours en Francia, la superconductividad puede aparecer – siempre que haya un potente campo magnético – en el vacío del espacio. Si Chernodub está en lo cierto, el fenómeno podría explicar el origen del extenso patrón de campos magnéticos que vemos en el cosmos. “Esta superconductividad del vació sugerida es muy inusual”, comenta. “Tiene algunas locas propiedades que no existen en los superconductores ‘normales’”.

En los superconductores normales, la carga fluye sin resistencia debido a que todos los portadores de carga – es decir, los electrones – se “condensan” en el mismo estado. Los físicos explican este comportamiento con la conocida como Teoría BCS, la cual describe cómo se mueven los electrones a través de la red cristalina del superconductor. Cuando un electrón se mueve, distorsiona la red, atrayendo cargas positivas. El siguiente electrón es atraído entonces a esta carga positiva, y queda emparejado con el primer electrón.

Juntos, los electrones emparejados, forman un condensado que se mueve como una única entidad.

Los científicos han realizado un buen trabajo explicando la física de los superconductores normales, como el plomo, el cual debe enfriarse casi al cero absoluto en campos magnéticos bajos. Pero hay también superconductores que existen a temperaturas relativamente altas de 30 K o más, y para estos los físicos aún están trabajando en una explicación adecuada.

¿La más extraña por el momento?

En un artículo que aparecerá próximamente en Physical Review Letters, sin embargo, Chernodub contempla un tipo de superconductividad que podría ser la más extraña por el momento. Al contrario que la superconductividad anteriormente conocida, se mantendría a temperaturas muy altas, tal vez miles de millones de grados. También existiría junto a potentes campos magnéticos y, tal vez lo más extraño de todo, no necesitaría un material para existir – simplemente un vacío.

¿Cómo puede la superconductividad surgir a partir de nada, cuando aparentemente no hay siquiera portadores de carga? De hecho, incluso el vacío más puro contiene portadores de carga. De acuerdo con la mecánica cuántica, el vacío es una sopa de partículas “virtuales” que momentáneamente saltan a la existencia, tales como quarks y antiquarks. Un quark up y un antiquark down pueden unirse para formar un mesón rho positivamente cargado, pero el mesón normalmente es tan inestable que decae.

Chernodub cree que en un campo magnético potente los quarks se verían forzados a moverse sólo a lo largo de las líneas de campo – y esto haría que los mesones rho fuesen mucho más estables. Además, el propio espín de los mesones rho interactuaría con el campo magnético externo, disminuyendo la masa efectiva de la partícula a cero, por lo que podría moverse libremente, como en un superconductor. Los cálculos de Chernodub, que se basan en un modelo bien conocido de la cromodinámica cuántica (QCD), sugieren que el campo magnético externo requerido para esta superconductividad debe ser de al menos 10¹⁶ T.

Un campo muy potente

Esto es un campo muy potente. Lo mejores imanes de la Tierra – que, tal vez irónicamente, usan espiras superconductoras – pueden lograr campos que se aproximan sólo a 30 T, mientras que los objetos más magnetizados del espacio, que son un tupo de estrellas de neutrones conocidas como magnetar, probablemente alcanzan simplemente los 10¹⁰ T.

Aunque Chernodub cree que podría encontrarse una demostración de su predicción cerca de casa, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) con sede en Ginebra, o en el Colisionador de Iones Relativistas Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York. El pasado noviembre colisionaron los primeros iones de plomo en el LHC. Debido a que tales iones se mueven, crean campos magnéticos, y Chernodub cree que un “casi fallo” entre dos de ellos podría  – tal vez durante apenas un yoctosegundo (10^–24 s) – generar un campo casi como el requerido de 10¹⁶ T. Si surge superconductividad en el vacío en el LHC o el RHIC, espera que deje una traza de mesones rho cargados.

“Cómo de realista es esto, no puedo decirlo en verdaderamente por el momento”, dice Igor Shovkovy, experto en QCD en la Universidad Estatal de Arizona en los Estados Unidos. “Una de las complicaciones de las colisiones de alta energía es la corta duración de los campos magnéticos generados por los iones o protones que pasan. La otra es la dificultad de extraer señales inequívocas de que sería éste y no otro fenómeno el causante”.

‘Idea interesante’

Volodya Miransky, física de partículas en la Universidad de Western Ontario en Canadá, dice que la predicción de Chernodub es una “idea interesante” pero añade que “la cuestión sobre si se puede observar este efecto sigue abierta, creo y esta posibilidad merece estudiarse”.

La superconductividad en el vacío no siempre tendría que necesitar aceleradores de partículas, no obstante. Chernodub cree que el inicio del universo podría haber tenido capos magnéticos lo bastante fuertes, y que las súper-corrientes posteriores podrían haber servido de semilla a los misteriosos campos magnéticos a gran escala que vemos hoy en el universo. “Suena a locura, pero ¿qué pasa si es cierto?”, comenta.

Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 29 de marzo de 2011
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Una técnica recién descubierta hace posible la creación de toda una serie de nuevos plásticos con propiedades metálicas o superconductoras.

Los plásticos, por lo general, conducen tan mal la electricidad que se utilizan para aislar cables eléctricos, pero colocando una fina capa de metal sobre una lámina de plástico y mezclándola con la superficie del polímero con un haz de iones, investigadores australianos han demostrado que el método puede utilizarse para hacer películas de plástico conductor baratas, resistentes y flexibles.

La investigación ha sido publicada en la revista ChemPhysChem por un equipo dirigido por el profesor Paul Meredith y el profesor asociado Ben Powell, ambos de la Universidad de Queensland y el profesor asociado Adam Micolich de la UNSW School of Physics.

Las técnicas de haces de iones se utilizan ampliamente en la industria de la microelectrónica para ajustar la conductividad de los semiconductores como el silicio, pero se han hecho intentos de adaptar este proceso a las películas de plástico desde la década de 1980 con un éxito limitado, hasta ahora.

“Lo que el equipo ha sido capaz de hacer aquí es utilizar un haz de iones para ajustar las propiedades de una película de plástico para que conduzca la electricidad como los metales utilizados en los cables eléctricos e incluso actuar como un superconductor y conducir la corriente eléctrica sin resistencia si se enfría a una temperatura suficientemente baja”, dice el profesor Meredith.

Para mostrar una posible aplicación de este nuevo material, el equipo produjo termómetros de resistencia eléctrica que cumplen con las normas industriales. Comparados con un termómetro de resistencia de platino industrial estándar, tenían una precisión similar o incluso superior.

“Este material es muy interesante porque podemos tener todos los aspectos deseables de los polímeros, tales como la flexibilidad mecánica, robustez y bajo costo y añadir buena conductividad eléctrica, algo que normalmente no se asocia con los plásticos”, dice el profesor Micolich. “Esto abre nuevas vías para fabricar componentes electrónicos de plástico”.

Andrew Stephenson dice que la parte más emocionante del descubrimiento es que se puede ajustar la capacidad de la película para conducir o resistir al paso de corriente eléctrica. Se abre un potencial muy amplio de aplicaciones útiles.

“De hecho, podemos variar la resistencia eléctrica en más de 10 órdenes de magnitud, en pocas palabras, eso significa que tenemos diez mil millones de opciones para ajustar la composición cuando estamos fabricando la película de plástico, en teoría, podemos hacer plásticos que no conduzcan electricidad en absoluto, que lo hagan tan bien como los metales y en todos los rangos intermedios, dice el Dr. Stephenson.

Estos nuevos materiales se pueden producir fácilmente con equipos de uso común en la industria de la microelectrónica y son mucho más tolerantes a la exposición al oxígeno en comparación con los polímeros semiconductores.

Combinadas, estas ventajas pueden dar a las películas de polímero procesadas con haz de iones un futuro brillante en el desarrollo continuo de materiales para las aplicaciones de componentes electrónicos de plástico, una fusión entre la tecnología actual y la de la próxima generación, dicen los investigadores.

Autor: Bob Beale
Fecha Original: 22 de febrero de 2011
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