Ciencia Kanija

Científicos de la Universidad de Cambridge han identificado un componente clave para desvelar el misterio de la superconductividad a temperatura ambiente, de acuerdo con un artículo publicado recientemente en la revista científica Nature.

La búsqueda de la superconductividad a temperatura ambiente ha atraído la atención de los investigadores desde que vieron esta posibilidad hace más de dos décadas. Los materiales que podrían potencialmente transportar la electricidad con una pérdida cero (resistencia) a temperatura ambiente tiene un vasto potencial; alguna de las posibles aplicaciones incluyen trenes súper-rápidos de levitación magnética, imágenes de resonancia magnética (IRM) más eficientes, generadores de energía, transformadores, y líneas de transmisión con menores pérdidas, supercomputadores más potentes, etc.
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La Fuente de Radiación de Sincrotrón. Crédito: STFC Daresbury Laboratory

Una investigación para comprender cómo los rayos-X interactúan con la materia podría llevar a la producción de imanes exóticos más potentes, tales como los que harán que los vehículos eléctricos sean más eficientes y rentables o como los requeridos para desarrollar una nueva generación de escáneres CT. Reviviendo un efecto descubierto por primera vez hace 70 años para comprender los procesos que causan que los rayos-X sean absorbidos por la materia, un equipo de científicos liderados por la Universidad de Warwick, trabajando junto con colegas del Laboratorio STFC Daresbury en Warrington y el Diamond Light Source en Oxfordshire, han descubierto sutiles detalles sobre los electrones que determinan propiedades tales como los enlaces químicos y la formación del magnetismo. El artículo completo se publicó el 10 de julio en la revista científica Nature.
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Investigadores de la NASA y científicos de los Estados Unidos, Alemania y Japón han encontrado un nuevo mineral en material que posiblemente procedía de un cometa.

El mineral, un silíciuro de manganeso llamado Brownleeita, se descubrió dentro de una partícula de polvo interplanetaria, o IDP, que parece tener su origen en el cometa 26P/Grigg-Skjellerup. El cometa se descubrió originalmente en 1902 y reaparece cada 5 años. El equipo que hizo el descubrimiento están encabezado por Keiko Nakamura-Messenger, científico espacial en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston.
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Estas imágenes recopiladas por los científicos de la Universidad de Princeton muestran (arriba) la primera imagen directa de los patrones danzantes de electrones en la arista del cristal de bismuto-antimonio, el cual es un aislante Hall cuántico; (centro) esquema y otra imagen mostrando la distribución de electrones en tres dimensiones; y (abajo) esquema e imagen comunicando la distribución de los electrones de las aristas en dos dimensiones. Imágenes: Zahid Hasan

“Efecto similar al Hall Cuántico” encontrado en un material sin aplicarle un campo magnético.

Un equipo de científicos de la Universidad de Princeton ha encontrado que uno de los fenómenos más intrigantes de la física de la materia condensada – conocido como efecto Hall cuántico – puede tener lugar en la naturaleza de una forma que nunca antes se había visto.

En el ejemplar del 24 de abril de la revista Nature, los científicos informan de que han registrado este exótico comportamiento de los electrones en un cristal de bismuto-antimonio sin ningún campo magnético externo presente. El trabajo, aunque significativo de una forma fundamental, también podría llevar a avances en nuevos tipos de dispositivos de computación cuántica rápida o “espintrónica”, de uso potencial en futuras tecnologías electrónicas, dicen los autores.

“Tuvimos las herramientas adecuadas y el conjunto adecuado de ideas”, dijo Zahid Hasan, profesor asistente de física que lideró la investigación y propulsó los fotones de rayos X sobre la superficie del cristal para encontrar el efecto. El equipo usó una técnica de alta energía basada en un acelerador conocida como “espectroscopia de electro-fotón de sincrotrón”.

Y, añadió Hasan, “Teníamos el material adecuado”.
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Los investigadores de la Universidad de Manchester han usado grafeno para medir una importante y misteriosa constante fundamental – y vislumbrar los cimientos del universo.

Los investigadores de la Escuela de Física y Astronomía, liderados por el Profesor Andre Geim, han encontrado que el material más fino del mundo absorbe una fracción bien definida de la luz visible, lo cual permite la determinación directa de la constante de estructura fina.

Trabajando junto a teóricos portugueses de la Universidad de Minho en Portugal, Geim y sus colegas informan de sus hallazgos on-line en la última edición de Science Express. El artículo se publicará en la revista Science en las próximas semanas.

El universo y la vida en este planeta están íntimamente controlados por varios números exactos; las conocidas como constantes universales o fundamentales tales como la velocidad de la luz y la carga eléctrica del electrón.
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Imagen por ordenador de una buckybola

Jaulas de carbono puede albergar volúmenes súper-densos de hidrógeno casi metálico.

El hidrógeno podría ser una fuente de energía limpia y abundante, pero es difícil de almacenar en grandes cantidades. En una nueva investigación, científicos de materiales de la Universidad de Rice han realizado un sorprendente descubrimiento sobre que diminutas cápsulas de carbono llamadas buckybolas son tan fuertes que pueden contener volúmenes de hidrógeno casi tan densos como los que hay en el centro de Júpiter.

La investigación aparece en la portada del ejemplar de marzo de 2008 de la revista de la Nano Letters de la Sociedad Química Americana.

“Basándonos en nuestro cálculos, parece que algunas buckybolas son capaces de contener volúmenes de hidrógeno tan densos que son casi metálicos”, dijo el líder de la investigación Boris Yakobson, profesor de ingeniería mecánica y ciencias de los materiales en Rice. “Parece que pueden contener aproximadamente el 8 por ciento de su peso en hidrógeno a temperatura ambiente, lo cual es considerablemente mejor que el objetivo federal del 6 por ciento”.
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Los vehículos que respetan el medioambiente que usan gas de hidrógeno pueden reducir drásticamente las emisiones de gases invernadero y disminuir la dependencia del país de los combustibles fósiles. Aunque actualmente hay en el mercado varios vehículos impulsados por hidrógeno, aún hay mucho espacio para la mejora en la forma en que almacenan y usan el gas hidrógeno.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA, usando simulaciones de dinámica molecular, han resuelto un misterio de una década, y sus hallazgos podría finalmente llevar a diseños prácticos comercialmente para materiales de almacenamiento para su uso en vehículos de hidrógeno. Su investigación, actualmente disponible en el sitio web de Proceedings of the National Academy of Sciences, se publicará en la edición impresa del 4 de marzo.
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Esta imagen muestra un imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura, enfriado con nitrógeno líquido. Una corriente eléctrica persistente fluye sobre la superficie del conductor, formando efectivamente un electroimán que repele al imán. La expulsión de un campo eléctrico desde el superconductor es conocida como el “Efecto Meissner”. Crédito: Laboratorio Nacional de Los Álamos

Cincuenta años después de la explicación ganadora del Premio Nobel de cómo funcionan los superconductores, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Los Álamos, la Universidad de Edimburgo y la Universidad de Cambridge sugieren otro mecanismo para el aún misterioso fenómeno.

En un estudio publicado en Nature, los investigadores David Pines, Philippe Monthoux y Gilbert Lonzarich proponen que la superconductividad en ciertos materiales puede lograrse sin la interacción de los electrones con el movimiento de vibración de la estructura del material.
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(a) Punto 3D de la potencial trampa toroidal. (b) Imagen del BEC dentro de la trampa. (c) Sin flujo persistente alrededor de la trampa, los átomos del BEC (en rojo) pueden precipitarse al centro. (d) El flujo persistente mantiene a los átomos alejados del centro. (Crédito: Physical Review Letters)

La superfluidez, donde un líquido fluye sin fricción, y la superconductividad, donde una corriente eléctrica fluye sin resistencia eléctrica, se han convertido en fases familiares a baja temperatura de la materia condensada. Ahora, físicos de los Estados Unidos han observado un “flujo persistente” similar en un Condensado Bose–Einstein (BEC), el cual podría ayudar a explicar cómo la fase de BEC se relaciona con los superconductores y los superfluidos.

Un BEC tiene lugar cuando un gas de bosones, o átomosde número espín entero, es enfriado a unas temperaturas tan bajas que la gran mayoría de ellos caen en el estado de momento cero. Esto significa que los átomos se comportan como una única entidad coherente, una propiedad compartida por los superfluidos y superconductores. No obstante, estas fases no son BECs puros debido a que ambas tienen fuertes interacciones atómicas, lo cual arrastra a muchos átomos a estados de momento más altos. Por contra un BEC sólo tiene interacciones débiles entre átomos.
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Los científicos se han maravillado durante mucho tiempo de las propiedades poco intuitivas que colocan al agua aparte del resto de sólidos y líquidos que encontramos comúnmente en la naturaleza. (Crédito: iStockphoto)

Más allá de su papel como elixir de toda la vida, el agua es una sustancia muy inusual: Los científicos se han maravillado durante mucho tiempo de las propiedades en contra del sentido común que colocan al agua aparte del resto de sólidos y líquidos que encontramos comúnmente en la naturaleza.

El simple hecho de que el agua se expanda cuando se congela – un efecto conocido por todo el mundo que haya tenido el estallido de una cañería en invierno — es sólo el principio de una larga lista de características especiales. (La mayoría de los líquidos se contraen cuando se congelan).
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Sistema prototipo para cosechar electricidad a partir de gotas de lluvia

El sonido de las gotas de lluvia al caer sobre un panel de plástico podría ser una nueva fuente de energía gracias a un trabajo realizado por investigadores de la Comisión de Energía Atómica de Francia (CEA) en Grenoble.

Aunque los humanos han intentado cosechar el poder de la lluvia durante miles de años, la energía normalmente se extrae del agua de lluvia cuando fluye ladera abajo en forma de corriente de un río. Ahora, Jean-Jacques Chaillout y sus colegas han creado un panel que convierte el impacto de la caída de las gotas de lluvia directamente en electricidad.
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Un equipo de investigadores del Boston College liderador por la Profesora Asistente Vidya Madhavan han identificado una explicación alternativa para los orígenes microscópicos del “pegamento” que une los electrones durante la superconductividad a alta temperatura, de acuerdo con los resultados publicados en la edición del 13 de diciembre de la revista científica Nature.

Efecto Meissner en un superconductor

Investigando el tema altamente debatido de la superconductividad a altas temperaturas, Madhavan y sus colegas identificaron una señal de la entidad cuántica conocida como espín, en contra de la energía vibratoria previamente identificada como potencial explicación para el “pegamento” que une los electrones.

“El hecho de que esta firma exista es importante debido a que es un potencial candidato para este pegamento que une a los electrones en un estado de superconductividad a altas temperaturas”, dijo Madhavan, experimentadora de materia condensada que ha permanecido en el Boston College durante los últimos cinco años.

“Aplicando nuestra herramienta de investigación – la microscopia de tunelado por escaneo – a un material que no ha sido estudiado con anterioridad, tenemos una nueva ventana a esta pregunta crítica de qué es lo que mantiene unidos a los electrones durante la superconductividad”, dijo Madhavan.

A pesar de su descubrimiento hace 20 años, los superconductores a alta temperatura aún guardan muchos misterios a los científicos. La promesa de la superconductividad es la transmisión ultraeficiente de la electricidad – lo que en último término redefine el uso de la energía y un incontable número de otros procesos. Lograr un estado de superconductividad – el punto donde se unen electrones normalmente imposibles de unir – sólo tiene lugar a temperaturas extremadamente frías, aproximadamente 100 grados Kelvin – unas cinco veces el frío que experimentamos a 0 grados Celsius.

Madhavan y su equipo de colaboradores del Boston College – Francis C. Niestemski, Shankar Kunwar, Sen Zhou, el Profesor Hong Ding, y el Profesor Ziqiang Wang, junto con Pengcheng Dai y Shiliang Li de la Universidad de Tennessee – necesitaron ocho meses de experimentación en el laboratorio de Higgins Hall. Allí, el equipo usó la microscopia de tunelado de escaneo (STM) para examinar cómo los electrones se comportan en un material superconductor cuando son súper-enfriados con helio líquido y estudiados con un minúsculo flujo de corriente eléctrica de nanoamperios.

La mayoría de los materiales superconductores estudiados hasta ahora estaban “dopados con huecos” lo que significa que los electrones eran eliminados de los planos de óxido de cobre – las áreas responsables para la superconductividad – dejando tras ellos huecos los cuales proceden a superconducir. Pero existe otra familia de materiales conocida como superconductores dopados con electrones, donde los electrones son añadidos a los planos de óxido de cobre. Los científicos sospechan que los materiales dopados con electrones deberían ser similares a los dopados con huecos dado que la superconductividad tiene lugar en los mismos planos de óxido de cobre en ambos materiales. Pero existen muy pocos estudios sobre estos materiales dopados con electrones.

Usando materiales dopados con huecos, los investigadores han encontrados signos de que las vibraciones entrelazadas, o fonones, estaban implicadas en la superconductividad y pueden incluso ser el desconocido “pegamento” que une los electrones.

El equipo de Madhavan hace la primera incursión en el estudio de un material dopado con electrones (conocido como PLCCO) usando STM, el cual depende puramente de un fenómeno cuántico conocido como “tunelado”. STM permitió a los investigadores tomar imágenes y estudiar las propiedades electrónicas del material a la escala de átomos individuales.

Las medidas del STM revelaron una firma de las excitaciones que podrían originarse a partir del espín en lugar de las vibraciones del entramado, confirmando por primera vez las teorías sobre que las excitaciones del espín deberían ser consideradas críticas como el “pegamento”de la superconductividad a alta temperatura.

Madhavan compara el descubrimiento del equipo con hallar sólo una pequeña parte de un rompecabezas. Pero en el campo de la superconductividad, los pequeños descubrimientos son importante dado hacen avanzar el campo cada vez más cerca descubrimiento de una teoría microscópica de guía que pueda explicar la superconductividad o el esquivo pegamento de su núcleo.

Puede que no exista una única explicación para el acoplamiento electrónico, de tal forma que los científicos tendrán que reevaluar las posibles explicaciones de la naturaleza de la superconductividad en su intento de descubrir los misterios físicos tras el prometedor, aunque esquivo, fenómeno.

“Ver el trabajo de los profesores e investigadores del Departamento de Física del Boston College en la revista Nature es un reconocimiento del destacado trabajo de gran calidad realizado por los Profesores Madhavan, Ding y Wang”, dijo el Catedrático del Departamento de Física, Profesor Michael Naughton. “Este es el último avance en ciencias naturales que surge del Boston College y refleja los resultados de nuestra inversión estratégica en instalaciones y profesorado en estas áreas”.

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Fecha Original: 20 de diciembre de 2007
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Imagina que tratas de ver a través de un agujero, sólo para ver un objeto lejano como si estuviese justo a tu lado. Sin cámaras, sin elaborados periscopios implicados — en lugar de esto observas a través de un “agujero de gusano” electromagnético creado de un material especialmente diseñado.

Simulaciones de rayos de luz muestran cómo se vería un tablero de ajedrez infinito a través del hueco de un agujero de gusano. La imagen de la izquierda produce un efecto similar al de una lente de ojo de pez. La imagen de la derecha es para un agujero de gusano más grande, el cual empezaría a añadir más distorsión e imágenes múltiples. (Crédito: Matti Lassas et al.)

Una propuesta de tales agujeros de gusano proviene de Yaroslav Kurylev del Colegio Universitario de Londres en el Reino Unido y sus colegas de los Estados Unidos y Finlandia, que llegaron a la idea trabajando sobre la teoría matemática que nos dio la capa de invisibilidad — un dispositivo que se realizó mediante microondas el año pasado. Mientras que en la capa de invisibilidad los rayos de luz son guiados alrededor de un volumen cilíndrico o esférico como el agua que fluye alrededor de una piedra, un agujero de gusano guiaría la luz alrededor de una forma tubular más elaborada. El dispositivo parecería sólido en la mayoría de longitudes de onda de la luz, pero en las longitudes de onda de invisibilidad desaparecería, y la luz entraría en el tubo por un extremo para emerger en el otro sin ningún túnel visible entre ambos (Phys. Rev. Lett. 99 183901).

Curvando el espacio

En el espacio vacío, que tiene un índice de refracción uniforme, la luz viaja en líneas rectas de acuerdo con coordenadas cartesianas. El truco para curvar la luz alrededor de una capa de invisibilidad o un agujero negro es diseñar un material con un índice de refracción no uniforme que transforme estas coordenadas cartesianas en coordenadas curvas. Fácilmente, las matemáticas requeridas para producir tales transformadas de coordenadas arbitrarias pueden encontrarse en la geometría apuntalada por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, las cuales pueden combinarse con las ecuaciones de Maxwell para describir la propagación de las ondas electromagnéticas.

Kurylev y sus colegas llaman a la transformación para la capa de invisibilidad “explotar un punto” dado que esencialmente es estirar una región infinitesimalmente pequeña en una esfera. Para crear un agujero de gusano, por tanto, todo lo que se necesita en “explotar una curva”. Y, como con la capa de invisibilidad, los investigadores dicen que el dispositivo podría crearse con metamateriales — materiales exóticos fabricados por el hombre con potentes propiedades electromagnéticas — que tienen el perfil de índice de refracción no uniforme necesario.

Planes optimistas

“Lo que proponen es una idea definitivamente muy interesante”, dijo Ulf Leonhardt, uno de los físicos que soñó primero con una capa de invisibilidad, a physicsworld.com. Pero añadió que, dado que sólo se han creado las capas de invisibilidad cilíndricas, el siguiente paso será crear una capa verdaderamente en 3D. “Crear un agujero de gusano es incluso más complicado”, dijo.

Aún así, si su idea fuese realizable, Kurylev y sus colegas tienen una lista de potenciales aplicaciones que incluyen “cables ópticos” para medir campos electromagnéticos sin perturbarlos, o crear una pantalla de video 3D. Colocando un imán cerca de uno de los extremos del agujero de gusano, el campo magnético surgiría aparentemente de alguna parte del otro extremo y se convertiría en un monopolo, aunque Kurylev no sabe para qué podría usarse.

Los investigadores también admiten que, debido a que las propiedades ópticas de los actuales metamateriales cambian tan rápidamente como función de la longitud de onda, un agujero de gusano práctico probablemente sólo trabajaría en un estrecho rango de longitudes de onda. Esto significa que, como en las capas de invisibilidad, un agujero de gusano que trabaje en todo el espectro de la luz visible está fuera de las capacidades. “Ya hay unos primeros resultados sobre invisibilidad a escala óptica”, dijo Kurylev. “Dado que los resultados para el agujero de gusano son paralelos a los obtenidos para la capa podemos, en principio, transferirlos a los agujeros”

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Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 9 de noviembre de 2007
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Físicos de Rutgers demuestran cómo los electrones “ganan peso” en metales cerca de la temperatura del cero absoluto: simulaciones por ordenador pueden proporcionar claves para la comprensión de la supercondictividad y fabricar nuevos materiales superconductores

Un modelo molecular estudiado por los físicos de Rutgers. En esta representación de la estructura cristalina del CeIrIn5, las esferas rojas, doradas y grises corresponden al cerio, iridio e indio respectivamente.

Físicos de la Universidad de Rutgers han realizado simulaciones por ordenador que demuestran cómo los electrones podrían hacerse mil veces más masivos en ciertos compuestos metálicos cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto – el punto donde todo movimiento cesa. Los modelos pueden proporcionar nuevas pistas sobre cómo funciona la superconductividad y cómo podrían fabricarse nuevos materiales superconductores.

En un artículo publicado en Science Express, sitio web sobre informes de investigación que sirve de borrador a las ediciones impresas de la revista Science, los investigadores describe cómo interactúan los electrones con otras partículas en estos compuestos para metamorfosearse en lo que los físicos llaman un fluido de “cuasi-partículas pesadas” o un “fluido de fermiones pesados”. Aunque este efecto había sido observado rpeviamente en algunos materiales, el trabajo de Rutgers emplea nuevos materiales para proporcionar un nivel de detalle que había sido esquivo hasta ahora para los científicos.

“En este artículo, esencialmente rastreamos el destino de los electrones cuando disminuimos la temperatura”, dijo Gabi Kotliar, Profesor de Física en la Escuela de Artes y Ciencias. “Los físicos experimentales pueden haber visto distintos aspectos de este comportamiento, o pueden haber visto comportamientos que no comprendían. Nuestros cálculos reconcilian lo que han visto”.

Los investigadores de Rutgers basaron sus modelos en experimentos usando nuevos compuestos metálicos cristalinos hechos a partir de los elementos cerio, indio e iridio. Estos y otros compuestos similares que sustituyen al cobalto y al rodio por iridio son excelentes bancos de pruebas para observar el comportamiento de electrones pesados.

Anteriores investigaciones usaron materiales superconductores de alta temperatura llamados cupratos, que fallaron al dar a los físicos una visión clara del comportamiento debido a los desórdenes en la estructura cristalina causado por el dopaje. Los nuevos compuestos basados en el cerio son más simples de estudiar debido a que están libres de dopantes.

“Los nuevos compuestos son para nosotros lo que las moscas de la fruta para los investigadores genéticos”, dijo Kristjan Haule, profesor asistente de física y astronomía. “Las moscas de la fruta son fáciles de producir y tienen una composición genética simple que es fácil de modificar. De la misma forma, estos compuestos son fáciles de crear, estructuralmente simples y ajustables, dándonos una visión más clara de las muchas propiedades de la materia que surgen a bajas temperaturas. Por ejemplo, podemos usar un campo magnético para acabar con la superconductividad y examinar el estado de la materia a partir del cual surgió la superconductividad”.

Estos compuestos son ejemplar de materiales fuertemente correlacionados, o materiales con electrones de interacción fuerte, que no pueden describirse mediante teorías que traten los electrones como entidades mayormente independientes. El término “cuasi-partículas pesadas” se refiere a cómo interactúan los electrones entre sí, como resultado de esas interacciones, formando un nuevo tipo de partícula llamada una “cuasi-partícula”.

Explicando cómo este efecto aparece a bajas temperaturas y se desvanece a otras más altas, Haule apunta que los electrones de los orbitales f están fuertemente unidos a los átomos de cerio a altas temperaturas. Pero cuando la temperatura cae, los electrones exhiben un comportamiento coherente, o delocalización de sus átomos. A 50 grados por encima del cero absoluto, o 50 grados Kelvin, los investigadores observan con claridad cuasi-partículas como electrones interactuando entre sí y otros electrones en el metal como electrones e conducción.

El trabajo realizado por Haule y sus colegas está en una rama de la física conocida como física de materia condensada, la cual trata con las propiedades físicas de la materia sólida y líquida. Sus modelos de cuasi-partículas pesadas se nutre del anterior trabajo de Haule fusionando dos teorías de modelos atómicos, conocida como aproximación de densidad local y teoría de campos de media dinámica, o LDA+DMFT.

En colaboración con Haule y Kotliar estuvo Ji-Hoon Shim, profesor de posdoctorado. La división de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencia y el Centro Rutgers para Teoría de Materiales apoyaron esta investigación. Shim recibió una beca de investigación posdoctoral de la Fundación de Investigación de Corea.

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Autor: Carl Blesch
Fecha Original: 1 de noviembre de 2007
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Se acumulan las pruebas sobre la existencia de una extraña y nueva forma de la materia llamada “supersólido”, en la cual una pequeña fracción de helio ultrafrío se desacopla del resto del sólido y fluye sin resistencia a través del material como si no estuviese allí. Aunque los primeros signos claros de supersólidos fueron obtenidos hace tres años por Moses Chan y sus colegas de la Universidad Estatal de Pennsylvania en los Estados Unidos, siguientes investigaciones arrojaron dudas sobre esos hallazgos. Ahora, sin embargo, Chan ha medido el calor específico de varias muestras de helio-4 y ha hallado un pico en los datos que según dice es una firma “probable” de la fase de supersólido (Nature 449 1025).

Contenedor de silicio usado por Chan y sus colegas para medir la capacidad de calor del helio-4 sólido: se usó silicio debido a que tiene muy poca capacidad de calor

La supersolidez se predijo pro primera vez en 1969 por parte el teórico ruso Alexander Andreev e Ilya Liftshitz. Dijeron que los huecos en el entramado del helio sólido podrían colapsar en el mismo estado cuántico si el helio se enfriase hasta una temperatura extremadamente baja. Este condensado de Bose-Einstein (BEC) de huecos se comportaría como una entidad coherente, moviéndose a través del resto del sólido como un superfluido.

En 2004 Chan y su estudiante graduado Eun-Seong Kim hallaron las primeras evidencias de superfluidez en un oscilador de torsión, el cual consistía en una célula cilíndrica rellena de helio-4 a alta presión. La célula, que estaba suspendida de una vara, rotaba adelante y atrás mientras se enfriaba. Cuando la temperatura alcanzó aproximadamente los 200 mK, los investigadores observaron un cambio repentino en el periodo de oscilación de la célula, lo que interpretaron como una prueba de que aproximadamente un 1% de helio se había “desacoplado” del helio-4 sólido y no estaba oscilando.

Aunque esto fue tomado como un signo de supersolidez, posteriores experimentos de Chan y otros científicos revelaron que la temperatura de desacople y el porcentaje desacoplado variaron significativamente de una muestra a otra. Esto llevó a algunos físicos a sugerir que el efecto observado no estaba provocado por el condensado de los huecos, sino por el flujo del helio superfluido a lo largo de límites entre granos en muestras policristalinas, o por transición a una fase de “supercristal”. A principios de este año Chan y sus colegas repitieron sus experimentos de torsión en un único cristal de helio-4 – el cual no tenía límites entre granos. Esta vez el desacoplamiento se produjo a una temperatura menor, 75 mK, con sólo el 0,3 % de la muestra desacoplada – la mayor evidencia hasta ahora de que los huecos se convierten en superfluido.

Ahora Chan y sus colegas han medido el calor específico – la energía requerida para cambiar la temperatura de un material – de varias muestras de helio-4. Encontraron picos en el calor específico a aproximadamente 75 mK, lo cual les llevó a concluir que era una “probable” señal de la fase de supersólido. “Si existe una transición de fase real del sólido normal a la fase de supersólido, debería haber una firma termodinámica, como un pico en el calor específico del helio sólido”, explicó Chan. No obstante, el experimento no estaba diseñado para medir el desacoplamiento simultáneo de masa, y por tanto el equipo no puede tener certeza absoluta de que el pico esté asociado con la supersolidez.

El equipo también encontró que la dependencia de temperatura del calor específico estaba reñida con la esperada si se estaba formando un estado cristalino en el sólido – descartando la explicación del supercristal para el desacoplamiento.

El pico en la capacidad de calor sugiere que el estado supersólido surge en un segundo orden o transición de fase continua – igual que la superfluidez. “No existe un consenso teórico sobre la naturaleza de esta fase supersólida”, dijo Chan, “pero basándonos en nuestro conocimiento de los superfluidos, la transición es más probable que sea de segundo orden que de primer orden”.

Chan dijo a physicsworld.com que el equipo había incorporado termómetros más nuevos y sensibles en sus aparatos, lo cual debería permitirles hacerse una mejor idea de la forma exacta del pico. Analizando la forma, el equipo podría obtener una mejor comprensión de la naturaleza de la transición de fase. Chan también es entusiasta respecto a otras firmas de supersolidez tales como el “segundo sonido”, que es un drástico incremento en la conductividad térmica de un material cuando se convierte en un superfluido.

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Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 25 de octubre de 2007
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El diseño de nanoestructuras coaxiales genera células solares potentes y estables.

Las nanoestructuras y los materiales nanoestructurados son de un interés clave para algunos diseñadores de células solares, porque proporcionan materiales de próxima generación para los paneles solares comerciales como energía a dispositivos nanoeléctricos. En un salto adelante en la tecnología de energía nanométrica, los investigadores de la Universidad de Harvard han construido un nanocable en capas de silicio coaxial que puede absorber directamente la luz y convertirla en electricidad, así como dar energía a un dispositivo nanoelectrónico.

Uso de nanocables coaxiales en un dispositivo fotovoltaico, las capas exteriores están grabadas para exponer el núcleo p, donde se fijan los contactos de emtal mediante patrones litográficos

Una aproximación estándar a la fabricación de células solares de silicio amorfo implica el ensamblaje de diodos “p-i-n”, en el cual el silicio intrínseco, o sin dopar, está entre dos capas de materiales de tipo p y de tipo n, los cuales acomodan a los portadores de carga positiva y negativa, respectivamente. Las capas configuran un campo eléctrico entre el lado p y el lado n, con el componente intrínseco actuando como resistencia. La luz genera electrones y huecos en la región intrínseca; los huecos y los electrones se separan entonces en las capas p y n.

Los investigadores de Harvard, liderados por el profesor de química Charles M. Lieber, usaron diodos p-i-n y los redujeron a nanoescala creando un nanocable coaxial en capas (Nature 2007, 449, 885). Primero, crearon un núcleo de silicio dopado con B₂H₆ como material de tipo p. Entonces añadieron silicio puro como capa intrínseca, seguido de una tercera capa de silicio con el dopante n, PH₃. Finalmente, cubrieron el cable con SiO₂ como máscara protectora.

Aunque el núcleo de tipo p es un cristal único, las otras capas son todas nanocristalinas. Las estructuras nanocristalinas parecen ser la clave para la absorción de cinco a diez veces más luz que un cable compuesto por materiales de cristal único, dice Lieber.

Otras aproximaciones nanotecnológicas a las células solares han sido obstaculizadas por la necesidad de aditivos, los cuales a menudo se volvían inestables. Por ejemplo, los nanocables de ZnO deben ser cubiertos con moléculas colorantes para cosechar luz, o los nanocristales de CdSe que deben doblarse con polímeros conductores. Además, la eficiencia a la cual los fotones solares son convertidos en electricidad por las células solares nanoestructuradas está rondando el 2%, mientras que las actuales células solares comerciales de silicio tienen entre un 12 y un 18%. Aunque los nanocables coaxiales no mostraron un gran aumento en la eficiencia comparado con los dispositivos nanométricos anteriores, con un rango entre el 2,3 al 3,4%, sí mostraron una mayor estabilidad, especialmente bajo luz intensa de hasta 8000 W/m², u 8 soles equivalentes. Variando el grosor de la capa intrínseca se puede ajustar la eficiencia, dice Lieber. Los dispositivos de nanocable coaxial también producen densidades de corriente comparables a las de las células solares comerciales de silicio.

Un nanocable coaxial tiene un núcleo de tipo p de cristal único (rosa) rodeado por capas de intrínseco nanocristalino (amarillo) y de tipo n (azul) y recubierto con SiO2 (verde), tal y como se muestra en este micrográfico en color artificial

Lo más importante es que el grupo fue capaz de conectar el nanocable a un dispositivo nanoelectrónico, un sensor de pH fabricado modificando un nanocable de óxido de silicio con 3-aminopropiltrietoxisilano (C&EN, Aug. 20, 2001, page 34). Bajo 8 soles equivalentes, el nanocable fotovoltaico dio energía con éxito al sensor de pH, el cual mostró cambios reversible en voltaje conforme variaba la solución del pH.

El trabajo “fusiona una idea antigua de la conversión energía solar-energía eléctrica con la síntesis de nanocables y métodos de manipulación, y abre nuevas posibilidades tecnológicas en el desarrollo de células solares y fuentes de energía para los dispositivos nanoelectrónicos integrados”, dice Eray Aydil, profesor de ingeniería química y ciencias de los materiales en la Universidad de Minnesota. “No hay duda de que es un avance significativo”.

Phaedon Avouris, director de ciencia y tecnología a escala nanométrica en IBM está de acuerdo. Apunta en particular que otras aproximaciones a nanoescala para dar energía a la nanoelectrónica producen electricidad sólo en el rango de los femtovatios, mientras que el grupo de Lieber alcanzó los nanovatios. “Es una fuente de energía más realista” para dispositivos nanoelectrónicos, dice.

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Autor: Jyllian Kemsley
Fecha Original: 22 de octubre de 2007
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Un equipo internacional que incluye científicos del Centro de Londres para la Nanotecnología (LCN) publicó hoy sus hallazgos en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences demostrando los drásticos efectos de la mecánica cuántica en un imán simple. La importancia del trabajo recae en establecer cómo una herramienta convencional de la ciencia material – un chorro de neutrones producido en aceleradores de partículas y reactores nucleares – puede usarse para producir imágenes de los fantasmales estados entrelazados del mundo cuántico.

Por simplicidad, el equipo se centró en un cuadrado de espines, la diminuta barra magnética asociada con los electrones en los átomos de cobre en el material organometálico estudiado por los investigadores. A la izquierda (c) se muestra una imagen de neutrón calculada para estos espines cuando se comporta como un objeto clásico (a), mientras que a la derecha (d) se muestra la imagen cuando están entrelazados (b). Las imágenes son drásticamente distintas en ambos casos, tomando la forma de un punto casi circular para el caso clásico y una cruz para el estado de entrelazamiento cuántico. Crédito: Centro de Londres para la Nanotecnología

En la nano-escala, el magnetismo surge a partir del comportamiento de los átomos como pequeños imanes llamados ‘espines’. En ferroimanes – el tipo que se pega a las puertas de los frigoríficos – todos estos imanes atómicos apuntan en la misma dirección. En los antiferroimanes, los espines se cree que se alinean espontáneamente a sí mismos de forma opuesta a los espines adyacentes, dejando el material como globalmente neutro a nivel magnético.

La investigación demuestra que esta descripción no es correcta debido a que ignora las incertidumbres de la mecánica cuántica. En particular, reñida con la intuición cotidiana, las leyes físicas de la mecánica cuántica que operan a nano-escala permiten a un espín apuntar simultáneamente arriba y abajo. Al mismo tiempo, dos espines pueden estar unidos de tal forma que es imposible saber la dirección por sí mismo, siempre apuntan en direcciones opuestas – en tal caso están “entrelazados”.

Con su descubrimiento, los investigadores demuestran que los neutrones pueden detectar entrelazamiento, el recurso clave para la computación cuántica.

Uno de los autores principales del trabajo, el Profesor Des McMorrow del LCN, comenta: “Cuando nos embarcamos en este trabajo, creo que sería justo decir que ninguno de nosotros esperaba ver tales efectos gigantescos producidos por el entrelazamiento cuántico en el material que estábamos estudiando. Teníamos la corazonada de que este material podría arrojar algo importante y que hacíamos bien en seguirlo”.

El siguiente paso de los investigadores será buscar las implicaciones en superconductores de alta temperatura, materiales que transportan corrientes eléctricas sin calentamiento y que mantienen notables similitudes con los antiferroimanes aislantes que han estudiado, y el diseño de ordenadores cuánticos.

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Fecha Original: 21 de septiembre de 2007
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Un físico cuántico de la Universidad de Queensland está aplicando una nueva teoría a un viejo problema.

Dr. Davis

El Dr. Matthew Davis, de la Escuela de Ciencias Físicas de la UQ, está trabajando en un nuevo estado de la materia – condensado Bose-Einstein – para una mayor comprensión de la misma naturaleza del universo.

“La belleza de un condensado Bose-Einstein es que es similar a un láser pero hecho de materia”, dijo el Dr. Davis.

“Es una colección de átomos que son perfectamente coherentes y tienen el potencial de usarse en dispositivos de medida ultrasensibles”.

El Dr. Davis dijo que los BECs se predijeron por primera vez en los años 20 por Einstein, pero no se lograron en laboratorio hasta 1995.

Si interés particular es observar cómo se forman los BECs y especialmente cómo se forman los remolinos cuánticos, llamados vórtices.

“La teoría que he desarrollado explica los experimentos bastante bien, por lo que ahora podemos usarla para investigar otros posibles experimentos computacionalmente, tales como observar corrientes persistentes creadas en condensados Bose-Einstein que son análogas a supercorrientes en superconductores que nunca decaen”, dijo.

“Esperamos que esto responda a grandes preguntas sobre la naturaleza de ciertos tipo de transiciones de fase, y se insertará en experimentos que serán realizados por mis colaboradores en la Universidad de Arizona”, comentó.

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Autor: Andrew Dunne
Fecha Original: 18 de septiembre de 2007
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Se ha publicado un nuevo análisis matemático del colapso del World Trade Centre por académicos de la Universidad de Cambridge, con resultados que desafían a las teorías de la conspiración alrededor de los ataques del 11 de septiembre.

El nuevo artículo, del Dr. Keith Seffen, usa modelos de la ingeniería establecida para demostrar que, una vez comenzó el colapso de las torres gemelas, estaba destinado a ser rápido y total.

Aunque las causas que iniciaron el colapso de las torres gemelas aún no se comprende completamente, los ingenieros continúan especulando sobre la velocidad y totalidad con la que fueron demolidos durante los fatídicos ataques.
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Un equipo del Laboratorio de Baja Temperatura, Royal Holloway, Universidad de Londres, ha descubierto un problema en el modelo teórico de estándar de fermiones de interacción fuerte en películas de 3He líquido.

La capa L1 de 3He solidifica en una sólido cuántico bidimensional en un entramado triangular. Los átomos se mueven en este sólido incluso en el cero absoluto, debido a un intercambia cuántico. Se muestra en la imagen el anillo de intercambio de tres átomos. El sólido es un imán frustrado bidimensional. Crédito: Universidad de Londres.

Los hallazgos, que se publicarán en el ejemplar de Science del 7 de septiembre de 2007, tienen implicaciones para la comprensión de los sistemas metálicos cercanos a los llamados “puntos crítico cuántico”. En estos metales “raros”, las corrientes eléctricas no se ve que portan electrones, sino que se transmite a través de excitaciones más complejas, la naturaleza de las cuales aún no se comprende completamente.

Los metales han sido materiales importantes para la humanidad durante milenios, y aún así parece que aún no tenemos una completa comprensión de toda la riqueza del estado metálico. En este sentido las implicaciones de estos nuevos fenómenos son potencialmente de largo alcance.

Según explica el Profesor Saunders: “El comportamiento de los fermiones pesados y la criticalidad cuántica están normalmente asociados con materiales más complejos, y han desafiado una explicación definitiva. Nuestra observación del colapso del comportamiento del líquido Fermi en una variante bidimensional de 3He líquido, el paradigma del líquido Fermi, es inesperado y emocionante”.

Añade: “El helio siempre ha sido un fértil campo de juego para la física de materia condensada fundamental. El líquido 4He fue el primer Condensado Bose-Einstein y el superfluido 3He el primer superfluido de onda-p. Incluso hay una sugerencia sobre que el 4He sólido puede ser un supersólido. Necesitamos sistemas simples para probar las teorías candidatas para explicar sistemas complejos”.

Esta investigación fundamental en Royal Holloway apuntala el enorme programa internacional de “descubrimiento de materiales” que actualmente está en desarrollo. Nuevos materiales con nuevas propiedades llevan a nuevas aplicaciones de los dispositivos.

Esta investigación fue patrocinada por el Consejo de Investigación en Ciencias Físicas e Ingeniería del Reino Unido.

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Autor: Alison Denyer de la Universidad de Londres
Fecha Original: 7 de septiembre de 2007
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