Ciencia Kanija

Teoría de Cuerdas – ¿más que sólo una ‘teoría del todo’? (Imagen: ilco, stock.xchng)

Un barroco campo da un soplo de aire fresco en la física de materia condensada.

Hasta recientemente, la Teoría de Cuerdas – anunciada desde hace mucho como una ‘teoría del todo’ — no había sido particularmente buena explicando nada, pero en un taller este mes en el Instituto Kavli de Física Teórica en Santa Bárbara, California, los científicos han estado usando la teoría para hacer progresos en abordar uno de los mayores misterios de la física de materia condensada: el origen de la superconductividad de alta temperatura.
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La mayoría de nosotros, cuando tomamos nuestras primeras clases de ciencia, aprendemos que cuando las cosas se enfrían, encogen. (Cuando las calentamos, normalmente se expanden). Sin embargo, el agua parece ser la excepción a la regla. En lugar de menguar cuando se enfría, este líquido común en realidad se expande. Para explicar este fenómeno, algunos científicos han adoptado el modelo de la “mezcla”, el cual propone que componentes similares al hielo de baja densidad predominan debido al enfriamiento. Masakazu Matsumoto, del Centro de Investigación de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Nagoya en Japón, tiene una idea diferente. Describe su hallazgo en Physical Review Letters: “Why Does Water Expand When It Cools? (¿Por qué el agua se expande cuando se enfría?) ”
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Un subproducto de las centrales de energía de carbón puede usarse para fabricar un hormigón mucho más fuerte y seguro con menos emisiones de dióxido de carbono, según han encontrado los investigadores.

Dicen que esta tecnología podría “revolucionar las industrias mundiales de la construcción y fabricación de edificios” y esperan mover la tecnología hacia un ensayo a gran escala y su comercialización.

El científico de materiales William Rickard y sus colegas de la Universidad Curtin, en Perth, usaron materiales de desecho llamados cenizas volantes para crear el hormigón.
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Esta imagen muestra una estructura enlazada de átomos de cobre y oxígeno en un plano dentro del cuprato. (Imagen: Cortesía del Laboratorio Yazdani)

Un equipo de investigación liderado por Princeton ha revelado una sorprendente información sobre cómo el comportamiento de los electrones influye en la conducción de la electricidad en un tipo de superconductores de alta temperatura. Una mejor comprensión de este mecanismo podría algún día transformar un número de tecnologías, incluyendo la transmisión de energía eléctrica.

El emparejamiento de electrones, que normalmente se repelen entre sí, es un prerrequisito conocido para la superconductividad – la capacidad de ciertos materiales de conducir la electricidad sin resistencia.
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Es un sólido que no es sólido — puede fluir sin esfuerzo a través de la materia normal como si no estuviese allí. Esto es en principio un supersólido, pero durante al menos cinco años el verdadero origen de este estado de la materia, si es que es efectivamente real, ha desafiado las mentes y la destreza experimental de los físicos.

Ahora dos estudios realizados por investigadores en los Estados Unidos están dando una nueva perspectiva sobre el misterio, aunque está lejos de resolverse.
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¿Prueba sólida? Un gas ultrafrío de átomos de rubidio muestra una ordenación parecida a la cristalina de regiones magnéticas, haciendo posible un material supersólido. Crédito: M. Vengalattore et al., arXiv.org (24 de enero de 2009)

Hace cinco años, investigadores de los Estados Unidos vieron las primeras pruebas de un “supersólido”, un extraño estado de la materia en el que cristales de helio ultrafrío podían fluir como un líquido sin viscosidad. Pero las pruebas de la supersolidez del helio no eran irrefutables. Ahora, existe un nuevo contendiente para la afirmación de la supersolidez. En el reunión de la Sociedad Física Americana, Dan Stamper-Kurn,físico de la Universidad de California en Berkeley, informó de las pruebas de que un gas de átomos de rubidio podía formar un supersólido. De mantenerse las nuevas observaciones, podría llevarnos a un nuevo tipo de materiales ideales para la comprensión del comportamiento cuántico de la materia.
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Una aleación imposible entre cerio y aluminio se hace posible.

Lo que en una ocasión había sido imposible se ha mostrado ahora que es posible – una aleación entre dos elementos incompatibles.

Un equipo de investigación liderado por el Profesor H.K. Mao de la Institución Carnegie de Washington y el Profesor Rajeev Ahuja de la UU han usado experimentos de alta presión y cálculos teóricos para estudiar el comportamiento del Ce₃Al bajo alta presión.

“Quedamos sorprendidos al encontrar que el cerio y el aluminio formaban lo que se conoce como aleación sustitutiva bajo alta presión. La formación de estas aleaciones ha estado limitada a elementos parecidos en su radio atómico y electronegatividad hasta el momento”, dice el Profesor Rajeev Ahuja de la Universidad de Uppsala.
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La teoría hace predicciones sobre los últimos superconductores de alta temperatura.

Un equipo internacional de físicos de los Estados Unidos y China ofrecieron esta semana una nueva teoría para explicar y predecir el complejo comportamiento cuántico de una nueva clase de superconductores de alta temperatura.

Los hallazgos, que se publicaron on-line esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, tratan de materiales conocidos como pníctidos de hierro. El descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura en los pníctidos hace un año es de gran ayuda para los físicos que han sufrido durante más de una década para explicar el fenómeno basándose en observaciones de unos superconductores basados en el cobre conocidos como cupratos.
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Estructura de la Lonsdaleita

Durante miles era algo conocido que el diamante era el material más duro de la naturaleza. Entonces, hace dos años, un material compuesto que contenía el mineral wurtzita BN se demostró que tenía la misma resistencia a las hendiduras que el diamante.

Ahora, un trabajo teórico de investigadores de China y Estados Unidos sugiere que la wurtzita BN pura es significativamente más dura que el diamante. También predicen que la Lonsdaleita — con una estructura estrechamente relacionada a la wurtzita — podría, bajo presión, hacerse un 58% más dura que el diamante, un nuevo récord mundial (PRL:102.05503).

Hong Sun de la Universidad de Shanghai y sus colegas informan de que el propio acto de hendir la wurtzita-BN puede forzarla a que pasar por una transformación de fase hacia una nueva estructura cristalina con una súper-fuerza.
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Material acústico doblemente negativo

Los físicos han generado una gran excitación en los últimos años inventando materiales especialmente diseñador con novedosas aplicaciones como capas de invisibilidad. Es más, algunos de estos “metamateriales” han sido construidos en el laboratorio y mostraron funcionar a lo largo de un estrecho rango de longitudes de onda electromagnéticas. Ahora, un grupo de investigadores de Corea y China han creado un metamaterial acústico el cual provoca el extraño efecto de invertir el efecto Doppler. Este es un hito importante hacia la capa acústica, dicen los investigadores.
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Investigadores de la Universidad de Manchester han producido un nuevo e innovador material, el grafano, que ha sido derivado a partir del grafeno.

El grafeno, que fue descubierto por la misma universidad en 2004, es un cristal de un átomo de grosor con propiedades conductivas inusualmente altas, el cual se ha convertido rápidamente en uno de los temas más candentes de la física y la ciencia de los materiales. También se ha propuesto para un número de aplicaciones futuras en electrónica y fotónica.

Pero en una investigación publicada hoy (viernes 30 de enero de 2009) el Profesor Andre Geim y la Dra. Kostya Novoselov, que lideran el grupo que descubrió el grafeno en 2004, sugieren que su uso podría ser mucho mayor.
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Levitación magnética en un superconductor

Experimentos de dispersión de neutrones han revelado una pista importante sobre por qué una familia recientemente descubierta de materiales basados en hierro superconducen a temperaturas relativamente altas. Estas medidas fueron realizadas por investigadores de los Estados Unidos y el Reino Unido y demuestran que el “hueco de energía de superconducción” en tales materiales es distinto al que encontramos en los superconductores de cuprato. Esto sugiere que está en funcionamiento un nuevo mecanismo de superconductividad.
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Algunos átomos en un sólido similar al vidrio podrían fluir con una fricción cero.

Imagina un fluido que fluye tanto perfectamente como nada en absoluto. Un maestro Zen podría proponer tal acertijo, pero en una nueva prueba teórica, los físicos han demostrado que tal estado paradójico de la materia puede existir en realidad.

Se conoce como supervidrio — “súper” en el mismo sentido que los superconductores y los superfluidos, lo cual es como decir que tienen escondida cierta extrañeza cuántica.
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¿Podría un tipo de cristal electrónico anteriormente desconocido ayudar en el futuro de la electrónica?

Investigadores de la Universidad McGill han descubierto un nuevo estado de la materia, el cristal electrónico cuasi-tridimensional, en un material muy similar al usado en la fabricación de los modernos transistores. Este descubrimiento podría tener implicaciones trascendentales para los nuevos dispositivos electrónicos. Actualmente, el número de transistores que pueden incrustarse de forma económica en un único chip de ordenador se incrementa de forma exponencial, duplicándose aproximadamente cada dos años, en una tendencia conocida como Ley de Moore. Pero existen límites, dicen los expertos. Conforme los chips se hacen cada vez más pequeños, las extrañas leyes y comportamientos de la física cuántica aparecen, haciendo imposibles los chips más pequeños.
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Cámara de vacío, ópticas y bobinas magnéticas usadas en el experimento del aislante Mott en Zurich. (Cortesía: Henning Moritz).

Físicos de Suiza y Francia han producido un gas de átomos fríos atrapados que imita las características de los superconductores de estado sólido. Confinando átomos de potasio a temperaturas de una fracción de grado sobre el cero absoluto en un patrón de profundos pozos de potencial – similar a los huevos en una cartonera — los investigadores liderados por Tilman Esslinger de la ETH Zurich han creado el primer ejemplo de átomos fermiónicos que se comportan como un aislante Mott.

Un aislante Mott se forman cuando las interacciones entre los electrones de un sólido cristalino evitan que los electrones de conducción se muevan libremente entre los átomos. Mucho fenómenos importantes de la física de materia condensada, incluyendo la superconductividad a alta temperatura, tienen lugar cuando el material está casi en fase de aislante Mott. La razón de la transición a esta superconductividad de alta temperatura no se comprende completamente, no obstante, aplicar el modelo teórico predominante (conocido como modelo de Hubbard) a los sólidos complejos a temperaturas relativamente altas se convierte en un dolor de cabeza computacional.
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Espejo atómico estabilizado cuántico el cual, a pesar de los pequeños huecos e “islas”, en su mayor parte tiene una superficie lusa y es capaz de reflejar un rayo molecular imaginario (cada molécula con 4 átomos). Imagen: Barredo et al.

Prepárate para el primer microscopio atómico del mundo.

Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM)y el Instituto de Estudios Avanzados de Madrid en Nanociencia (IMDEA-Nanociencia) ha creado el “espejo atómico estabilizado cuántico”, la superficie más lisa jamás creada, de acuerdo con la edición de esta semana de la revista Advanced Materials.

Uno de los autores del estudio, Rodolfo Miranda, profesor de física de materia condensada en la UAM y director del IMDEA-Nanociencia, explicó al SINC que la innovación con este espejo casi perfecto es la capacidad de reflejar “extraordinariamente bien” la mayor parte de los átomos que le afectan, a través del uso de materiales de grosor nanométrico cuyas propiedades están dominadas por efectos cuánticos.
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El físico de la Universidad de Chicago Thomas Rosenbaum, con el refrigerador de disolución de helio en su laboratorio, donde observa el comportamiento cuántico de materiales enfriados a temperaturas casi al cero absoluto. (Imagen: Dan Dry)

Científicos de la Universidad de Chicago han descubierto cómo los sensores magnéticos hacen que sea posible operar a las altas temperaturas que requerirán los motores cerámicos en coches y aviones del futuro para operar a una eficiencia mayor que la tecnología actual de combustión interna.

La clave para fabricar los sensores implica muestras ligeramente diluidas de un material semiconductor bien conocido, conocido como antimónido de indio, que es valorado por su pureza. Thomas Rosenbaum de Chicago y su socio Jingshi Hu, ahora en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, han publicado su fórmula en el ejemplar de septiembre de la revista Nature Materials.
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Ondas doradas. Esta simulación por ordenador muestra la fuerza del campo eléctrico alrededor de bandas de oro a nanoescala (mostradas en corte transversal) cuando impacta luz infrarroja desde arriba. En los experimentos, los investigadores midieron las interacciones de los plasmones de superficie del oro – ondas de campos electromagnéticos y electrones – con electrones (excitones) en el bloque semiconductor de abajo (no mostrado).

La luz que impacta una superficie crea tipos muy distintos de perturbaciones dependiendo de si es un metal o un semiconductor. Combinar estos dos materiales en una única nanoestructura podría llevar a dispositivos que se beneficien de las mejores propiedades de cada uno de ellos. Para una mejor comprensión de cómo podría funcionar esto, unos investigadores informan en el ejemplar del 12 de septiembre de Physical Review Letters que han caracterizado el acoplamiento entre excitones – estados electrónicos excitados en semiconductores — y plasmones, que existen en metales. Comprender los detalles de la interacción plasmón-excitón podría ayudar a los investigadores a desarrollar ordenadores ópticos, láser plasmónicos o células solares mejoradas.

Cuando la luz impacta en un metal, puede crear una polarización plasmónica de superficie – a menudo simplemente llamada “plasmón de superficie” – la cual es una onda viajera combinando campos electromagnéticos con oscilaciones electrónicas. Los investigadores están usando diminutas antenas de plasmones para canalizar más luz a las células solares (fotovoltaicas), incrementando su eficiencia. Otros estudiantes de la “plasmónica” esperan desarrollar dispositivos que reemplacen algunas corrientes eléctricas con ondas plasmónicas, debido a que los plasmones pueden, teóricamente, portar la misma información que los pulsos de luz pero apretados en cables de tamaño nanométrico usados en los chips de computadores estándar.
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Los investigadores están trabajando en un generador termoeléctrico que convierte el calor de los gases de escape en electricidad. El módulo alimenta la energía del sistema electrónico del coche. Esto recorta el consumo de combustible y ayuda en la reducción de emisiones de CO₂ de los vehículos a motor.

En una era de recursos naturales cada vez más limitados, el ahorro de energía está a la orden del día. No obstante, muchos procesos técnicos usan menos de un tercio de la energía que emplean. Esto es particularmente cierto para los automóviles, donde dos tercios del combustible emitido sin utilizarlo en forma de calor.
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La comparación entre una micronave típica respecto al tamaño de una tarta de cumpleaños. Crédito: Prasanna Chandrasekhar

Flotas de naves diminutas pueden estar más cerca del despegue.

Para lograr que esta visión ciencia ficción de “micro-naves” de 25 kilos y “nano-naves” de 5 kilos sea realidad, los científicos han inventado ahora una piel tan fina como la hoja de una navaja que puede proteger la nave contra el calor extremo y el frío intenso que se puede encontrar en el espacio exterior y lidiar con los micrometeoritos que vuelan a miles de kilómetros por hora.
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