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

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

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

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

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

El ‘multiverso’ en un chip

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

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

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

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

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

Cosas extrañas

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

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

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

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

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

Autor: Geoff Brumfiel
Fecha Original: 16 de marzo de 2010
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En el mundo clásico, los científicos pueden realizar medidas con un grado de precisión que está restringido sólo por las limitaciones técnicas. A nivel fundamental, no obstante, las medidas de precisión están limitadas por el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Pero incluso alcanzar una precisión cercana al límite de Heisenberg está muy lejos de la tecnología actual debido a las limitaciones de la fuente y los detectores.

Ahora, usando técnicas del aprendizaje automático, los físicos Alexander Hentschel y Barry Sanders de la Universidad de Calgary han demostrado recientemente cómo generar procedimientos de medidas que pueden superar las mejores estrategias anteriores para lograr unas medidas cuánticas de alta precisión. El nuevo nivel de precisión se aproxima al límite de Heisenberg, lo cual es un objetivo importante para las medidas cuánticas. Tales medidas cuánticas mejoradas son útiles en distintas áreas, tales como relojes atómicos, detección de ondas gravitatorias y medición de propiedades ópticas en materiales.

“La precisión que cualquier medida puede lograr está limitada por el conocido como límite de Heisenberg, el cual resulta del Principio de Incertidumbre de Heisenberg”, dice Hentschel a PhysOrg.com. “No obstante, las medidas clásicas no pueden lograr una precisión cercana al límite de Heisenberg. Sólo las medidas cuánticas que usan correlaciones cuánticas pueden aproximarse a dicho límite. Aún así, idear procedimientos de medida cuántica es algo muy complejo”.

El principio de incertidumbre de Heisenberg limita en último término la precisión posible dependiendo de cuántos recursos cuánticos se usan en la medida. Por ejemplo, las ondas graviatorias se detectan mediante interferómetros láser, cuya precisión está limitada por el número de fotones disponibles en el interferómetro dentro de la duración del pulso de la onda gravitatoria.

En su estudio, Hentschel y Sanders usaron una simulación por ordenador de un interferómetro de dos canales con una diferencia de fase aleatoria entre los dos brazos. Su objetivo era estimar la diferencia de fase relativa entre los dos canales. En su sistema simulado, los fotones eran enviados al interferómetro a la vez. No se sabía a qué puerto de entrada llegaría, por lo que el fotón (actuando como qubit) estaba en una superposición de dos estados, correspondiendo a los dos canales. Cuando salía del interferómetro, el fotón se detectaba abandonando uno de los dos puertos de salida, o no se detectaba si se perdía. Dado que los fotones eran lanzados al interferómetro a la vez, no se podía extraer más de un bit de información en cada momento. En este escenario, la precisión posible está limitada por el número de fotones usados para la medida.

Como han demostrado anteriores investigaciones, los esquemas de medidas cuánticas más efectivos son aquellos que incorporan una retroalimentación adaptativa. Estos esquemas acumulan información a partir de medidas y las aprovechan para maximizar la información lograda en posteriores medidas. En un interferómetro con retroalimentación, se envía una secuencia de fotones sucesivamente a través del interferómetro para medir la diferencia de fase desconocida. Los detectores en los dos puertos de salida miden el camino de salida de cada uno de los fotones, y transmite la información a la unidad de proceso. La unidad de proceso adapta el valor de un desplazador de fase controlable tras cada fotón, de acuerdo con una política dada.

No obstante, idear una política óptima es difícil, y normalmente requiere de ciertas conjeturas. En su estudio, Hentschel y Sanders adaptaron una técnica del campo de la inteligencia artificial. Su algoritmo aprende una política óptima basándose en el ensayo y error – reemplazando las conjeturas por un procedimiento lógico, completamente automático y programable.

Específicamente, el nuevo método usa un algoritmo de aprendizaje automático llamado optimización de enjambre de partículas (PSO). PSO es una estrategia de optimización de “inteligencia colectiva” inspirada en el comportamiento social de las bandadas de pájaros o bancos de peces para localizar lugares donde alimentarse. En este caso, los físicos demuestran que el algoritmo PSO puede también aprender de forma autónoma una política para ajustar el desplazamiento de fase controlable.

Como demuestran Hentschel y Sanders, después de que se haya enviado una secuencua de qubits de entrada al interferómetro, el procedimiento de medida aprendido por el algoritmo PSO deja una medida del desplazamiento de fase desconocido que está cerca del límite de Heisenberg, fijando un nuevo precedente para la precisión de las medidas cuánticas. El nuevo alto nivel de precisión podría tener importantes implicaciones para la detección de ondas gravitatorias.

“La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice ondas gravitatorias”, dice Hentschel. “No obstante, no se ha logrado ninguna detección directa de las mismas. La detección de ondas gravitatorias abrirá un nuevo campo de la astronomía que incrementará las observaciones de neutrinos y ondas electromagnéticas. Por ejemplo, los detectores de ondas gravitatorias pueden observar agujeros negros en fusión o sistemas estelares binarios compuestos de dos estrellas de neutrones, que están en su mayor parte ocultos a los telescopios convencionales”.

Más información: Alexander Hentschel and Barry C. Sanders. “Machine Learning for Precise Quantum Measurement.” Physical Review Letters 104, 063603 (2010). DOI:10.1103/PhysRevLett.104.063603

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 26 de febrero de 2010
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A temperaturas muy bajas, en ausencia de luz, un fotomultiplicador emitirá espontáneamente electrones aislados. El fenómeno, conocido como “emisión criogénica de electrones”, se observó por primera vez hace casi 50 años. Aunque los científicos conocen unas pocas causas para la emisión de electrones sin luz (también llamado índice oscuro) – incluyendo el calentamiento, un campo eléctrico y la radiación por ionización – ninguno de ellos puede tenerse en cuenta para la emisión criogénica. Normalmente, los físicos consideran estos eventos de electrones oscuros poco deseables, dado que el propósito de un fotomultiplicador es detectar fotones produciendo los electrones respectivos como resultado del efecto fotoeléctrico.

En un reciente estudio, Hans-Otto Meyer, profesor de física en la Universidad de Indiana, ha investigado más en detalle la emisión criogénica de electrones realizando experimentos que demuestran cómo los electrones disparados se distribuyen en el tiempo. Sus resultados revelan que los electrones se emiten en ráfagas que se suceden de forma aleatoria, aunque dentro de una ráfada los electrones se emiten de una peculiar forma correlada. Sugiere que las correlaciones indican algún tipo de mecanismo de atrapamiento, pero el inusual comportamiento es inconsistente con cualquier proceso de emisión espontánea actualmente conocido. Al menos por el momento, no parece haber una explicación física paa las observaciones.

“La emisión criogénica es un fenómeno físico que desafía cualquier explicación”, dijo Meyer a PhysOrg.com. “La física responsable del mismo puede, o no, ser fundamental, sólo el futuro lo dirá. Los fotomultiplicadores ofrecen el entorno en el que puede observarse el fenómeno, pero tengo dudas de que mi trabajo sea de gran relevancia para los usuarios de fotomultiplicadores”.

En sus experimentos, Meyer colocó un fotomultiplicador dentro de un contenedor vacío, el cual sumergió entonces en nitrógeno o helio líquido. Usando el enfriamiento por radiación, enfrió el fotomultiplicador a una temperatura de 80 K (-193° C) tras un día, y a 4 K (-269° C) en otro día. Con esta configuración, pudo detectar eventos oscuros criogénicos, que se ha demostrado que son causados por los electrones aislados emitidos desde el cátodo del fotomultiplicador.

Como han demostrado anteriores investigaciones, empezando desde la temperatura ambiente, el índice oscuro desciende, pero sólo hasta un punto. Por debajo de aproximadamente 220 K (-53° C), el nivel oscuro se equilibra. Con un mayor enfriamiento, empieza a aumentar, y continúa subiendo hasta al menos los 4 K (-269° C), la temperatura más baja para la que Meyer tiene datos. La mayor parte de los experientos de Meyer fueron realizados a unos 80 K (-193° C).

En sus experimentos, Meyer encontró que los electrones se emiten en “ráfagas” – numerosos disparos de electrones que se suceden próximos en el tiempo. Aunque estas ráfagas tienen lugar aleatoriamente, tienen distinta duración temporal, siguiendo su distribución de duración una ley exponencial. Además, Meyer encontró que los eventos de disparo individual dentro de una ráfaga están altamente correlados. Específicamente, en una ráfaga, los primeros eventos ocurren rápidamente, y se hacen menos frecuentes conforme se “apaga” la ráfaga.

Tal vez esta última observación sobre intervalos progresivamente más largos entre los eventos de disparo dentro de una ráfaga, es lo más interesante. Meyer sugiere que esta peculiar distribución de eventos podría ser el resultado de un mecanismo de atrapamiento. Si cae en una trampa, un electrón podría salir de la misma (para ser observado como un evento oscuro) o recombinarse con un hueco de electrones. Cuando una trampa de electrones se vacía, el ritmo de emisión sería proporcional al número de electrones que quedan en la trampa. Este escenario podría, posiblemente, explicar la salida inicial a borbotones en la ráfaga, seguido por unos pocos restos que se van desgranando.

De acuerdo con anteriores observaciones de las correlaciones entre temperatura e índice oscuro, los ritmos de emisión de electrones en los experimentos de Meyer también se vieron afectados por la temperatura. Cuando la temperatura cae, tanto el ritmo de ráfagas como el número de eventos por ráfaga aumenta. Esta observación de que el ritmo de emisión aumenta cuando baja la temperatura encaja bien con la hipótesis de la trampa, en la que sería la consecuencia de una recombinación menos importante, dando como resultado más electrones saliendo de la trampa.

Como señala Meyer, un proceso que se hace más probable cuando baja la temperatura como sucede en la emisión criogénica de electrones, es muy inusual en la física. Entre sus observaciones más interesantes están que el ritmo de emisión criogénica no depende de si el dispositivo se está enfriando o calentando, sino sólo de la temperatura actual. En general, las propiedades de la emisión criogénica de electrones, no encajan con otros procesos de emisión espontánea conocidos, incluyendo la emisión térmica, la emisión de campo, la radiactividad o la radiación penetrante como la de los rayos cósmicos. Por ejemplo, al contrario que en los procesos bien conocidos de emisión de campo y la termoiónica, la emisión criogénica no depende del campo eléctrico en la superficie emisora. Al menos por ahora, el fenómeno de la emisión criogénica de electrones sigue siendo un misterio.

“La naturaleza a temperaturas muy bajas tiene una gran cantidad de sorpresas bajo la manga”, comenta Meyer. “No quiero especular sobre cuál resultará ser la explicación de la emisión criogénica, pero no me sorprendería si la estructura de banda de los semiconductores desempeña un papel importante”.

Añade que su siguiente paso será investigar cómo de universal es el efecto.

“¿Hay emisión criogénica en otras superficies aparte del cátodo de un fotomultiplicador?”, pregunta. “Esta es la siguiente pregunta a contestarse mediante experimentos. Con suerte pronto tendremos modelos teóricos que lleven a predicciones que puedan ser comprobadas en experimentos futuros”.

Más información: H. O. Meyer. “Spontaneous electron emission from a cold surface.” Europhysics Letters, 89 (2010) 58001. Doi:10.1209/0295-5075/89/58001

Autor: Lisa Ziga
Fecha Original: 10 de marzo de 2010
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La criptografía cuántica sólo funciona si Alice y Bob comparten posiciones relativas por adelantado. Ahora, los físicos han descubierto cómo hacerlo sin esta información.

El mundo de la criptograía está pasando por una revolución cuántica. Las extrañas leyes de la mecánica cuántica permiten a los criptógrafos crear códigos que garanticen una privacidad perfecta. Hasta hace poco, los mejores criptógrafos sólo podían apuntar a una privacidad bastante buena, con códigos que siempre se venían comprometidos de una u otra forma. La criptografía cuántica, por otra parte, es perfecta; segura en teoría y práctica.

Unas pocas compañías incluso han empezado a vender un dispositivo que pueden enviar mensajes perfectamente seguros, principalmente a bancos y gobiernos (aunque el propio dispositivo deja algunos huecos que un fisgón puede atacar).

Pero aún así, estamos en los primeros días de esta tecnología y, naturalmente, sufre algunos obstáculos importantes. Por ejemplo, una limitación bien conocida es que la criptografía cuántica sólo puede usarse sobre conexiones punto a punto y no para redes donde los datos deben ser enrutados. Esto se debe a que el proceso de enrutamiento destruye las propiedades cuánticas de los fotones usados para securizar los mensajes.

Una limitación menos conocida es que el receptor y el emisor de mensajes cuánticos encriptados – los famosos Alice y Bob – deben estar perfectamente alineados para que puedan llevarse a cabo las medidas de polarización bien definidas sobre los fotones cuando llegan. Los físicos dicen que Alice y Bob deben compartir el mismo marco de referencia.

Esto no es difícil de lograr cuando Alice y Bob están en laboratorios sobre la Tierra. Pero es mucho más difícil cuando uno se mueve respecto al otro, en un satélite, por ejemplo, que estuviese girando y orbitando la Tierra.

Hoy, Anthony Laing de la Universidad de Bristol y algunos compañeros, demuestran cómo solventar esto. El truco está en usar tripletes entrelazados de fotones, los conocidos como qutrits, en lugar de pares entrelazados.

Esto resuelve el problema incrustándolo en una dimensión extra abstracta, que es independiente del espacio. Por lo que mientras que Alice y Bob sepan la forma en que están relacionadas estas dimensiones abstractas, la tercera proporciona un marco de referencia contra el que hacer las otras dos medidas.

Esto permite que Alice y Bob tomen cualquier medida que necesiten sin tener que acordar por adelantado un marco de referencia. Hay una condición: Alice y Bob no pueden moverse demasiado rápido durante las medidas dado que esto cambia su orientación relativa y se necesitaría un nuevo qutrit para establecer una referencia.

Esto será útil para la encriptación cuántica en enlaces de satélite, el tipo de cosa que las agencias gubernamentales y los militares podrían querer hacer. Pero hay otra aplicación más valiosa.

Si en algún momento se usa de forma amplia la encriptación cuántica, se necesitará trabajar entre un microchip y otro sin necesidad de compartir un marco de referencia por adelantado. Esto siempre ha sido un problema debido a que los chips en el interior de los ordenadores están en un movimiento constante (relativo a la longitud de onda de la luz) y debido a que la polarización de los fotones varía cuando se mueven a través de las fibras ópticas, se introduce otra fuente de error.

Debido a esto es por lo que la criptografía cuántica, que es independiente del marco de referencia, es una tecnología que lo permite y tan valiosa potencialmente. Significa que Laing y sus colegas han hecho una de los avances clave que llevarán la criptografía cuántica a las masas.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1003.1050: Reference Frame Independent Quantum Key Distribution

Fecha Original: 7 de marzo de 2010
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El Capitán Kirk podría querer evitar tener que poner la nave Enterprise a la velocidad warp, a menos que esté listo para hacer caso omiso de los átomos de hidrógeno interestelar que llevarían una baño de radiación letal tanto a la nave como a la tripulación.

Apenas hay dos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico de media en el espacio, los cuales no suponen ninguna amenaza para las naves que viajan a baja velocidad. Pero esos mismos átomos aislados se transformarían en minas espaciales galácticas para una nave que vaya a casi la velocidad de la luz, de acuerdo con unos cálculos basados en la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein.

La tripulación original de “Star Trek” se mostró como un desafortunado ejemplo en una presentación de William Edelstein, físico de la Universidad Johns Hopkins, en la conferencia de la Sociedad Física Americana en Washington, D.C. el 13 de febrero. El físico mostró un corte de video en el que Kirk dice al ingeniero Scotty que pase a velocidad warp.

“Bien, todos están muertos”, dijo Edelstein. Sus palabras causaron gran agitación entre la audiencia.

El interés personal de Edelstein en este experimento mental comenzó hace 20 años, cuando su hijo Arthur le preguntó si había fricción en el espacio. El padre contestó que sí, que habría hidrógeno rebotando en la nave. Pero pronto se dio cuenta de que los extraviados átomos de gas de hidrógeno en realidad irían directamente contra la nave casi a la velocidad de la luz, irradiando tanto a tripulación como a circuitos electrónicos en el proceso.

Más recientemente, el físico y su ahora adulto hijo calcularon el escenario de una nave espacial tratando de viajar al centro de la galaxia en 10 años. Esto es factible en teoría, debido a que la relatividad especial afirma que el tiempo frena y las distancias se acortan para viajeros que se aproximan a la velocidad de la luz.

El trabajo de Edelstein demostró que una nave que viaje al 99 por ciento de la velocidad de la luz recibiría una dosis de radiación procedente del hidrógeno de 61 sieverts por segundo, cuando apenas una décima parte de eso sería una dosis fatal para un humano. Por no hablar de que la velocidad necesaria para hacer ese recorrido en 10 años es de 99,999998 por ciento de la velocida de la luz.

A dicha velocidad, la tripulación humana experimentaría algo similar a ser impactado por el rayo de protones de alta energía del acelerador de partículas del LHC en el CERN en Ginebra, Suiza. Además de matar a la tripulación, esos niveles de energía tan potentes también destruirían los componentes electrónicos de la nave.

“No estoy afirmando que esto sea un brillante descubrimiento nuevo, ni nada similar”, dijo Edelstein a SPACE.com. “Simplemente digo que es interesante”.

Parte de los miembros de la audiencia al evento de la Sociedad Física Americana protestaron diciendo que Kirk, Spock y la tripulación de “Star Trek” seguirían vivos debido a que la nave Enterprise tenía escudos. Pero Edelstein señaló algunas de las dificultades existentes para crear escudos electromagnéticos con algún parecido a la tecnología de “Star Trek”.

Los escudos sólidos parecen incluso menos esperanzadores. Una nave tendría que tener planchas de plomo de entre 4,4 y 4400 metros de grosor para desviar la radiación del hidrógeno — una masa añadida que haría el viaje a la velocidad de la luz aún menos viable.

El físico concluyó sugiriendo que los extraterrestres podrían no haber visitado la Tierra debido a todos los problemas al viajar cerca de la velocidad de la luz, incluyendo cómo tratar las letales minas espaciales de hidrógeno. Pero, para que quede constancia, cree que existe vida alienígena.

“Llegar a las estrellas es un gran problema a menos que pensemos en algo verdaderamente distinto”, dijo Edelstein. “No estoy diciendo que lo sepamos todo y que sea imposible. Lo que digo es que es casi imposible basándonos en lo que sabemos ahora mismo”.

Autor: Jeremy Hsu
Fecha Original: 8 de marzo de 2010
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La eficacia del conjunto de reflectores Apolo baja en un factor de 10 durante la Luna llena. Ahora un nuevo análisis explica por qué.

Los experimentos de medida láser lunar han generado un tesoro de interesante información sobre la Luna, por ejemplo, que se aleja en espiral de nosotros a un ritmo de 38 milímetros por año.

Los experimentos son simples. Los astrónomos disparan un pulso láser a un reflector situado en la superficie lunar dejado por la misión Apolo XV, y luego usan un telescopio para buscar el reflejo, unos 2 segundos más tarde.

Las observaciones son difíciles. De los 10¹⁷ fotones que se envían hacia la Luna en cada pulso, sólo uno vuelve, de media. Y sólo si las condiciones de visibilidad son buenas.

Cuando las condiciones son favorables, los astrónomos a menudo apuntan a los conjuntos dejados por las misiones Apolo XI y XIV que apenas tienen un tercio del tamaño del de Apolo XV y, por tanto, son más difíciles de observar. Si los observadores se sienten con suerte, incluso podría intentarlo con el conjunto ruso Lunakhod II (el conjunto Lunakhod I no ha estado disponible desde 1971).

En general, los astrónomos han estado tomando observaciones desde 1969, primero desde el Observatorio MacDonald en el Oeste de Texas y más tarde desde el Observatorio de Apache Point en Nuevo México. Esto les ofrece una base de datos sustancial contra la que analizar el comportamiento de los reflectores.

Pero, ¿cómo han sobrevivido al paso de los años estos reflectores abandonados en las hostiles condiciones de la superficie lunar? Esa es la cuestión que hoy abordan Tom Murphy de la Universidad de California en San Diego y unos compañeros. Y su análisis plantea un interesante problema.

Primero, dicen que la eficacia de los tres conjuntos de reflectores Apolo ha caído en un orden de magnitud durante su estancia en la Luna. El reflector Lunakhod lo ha pasado aún peor. Cuando llegó a la Luna en 1973, su señal era un 25 por ciento más potente que la del Apolo XV. Hoy es 10 veces peor.

¿Por qué sucede esto?

Los reflectores consisten en un conjunto de prismas cúbiscos que funcionan mediante reflexión interna total. Además, los prismas del Lunakhod tienen superficies plateadas y están más expuestos. La degradación de este plateado probablemente explica su caída relativa en el rendimiento.

Pero, ¿qué causó la degradación de los prismas de Apolo? Cualquier cosa que se asiente o dañe la superficie óptica de los prismas reducirá su eficacia en las reflexiones internas totales. Murphy y sus colegas discuten varias posibilidades tales como daños por micrometeoritos, agregación de polvo lunar y la ruptura de las arandelas de teflón que pueden haber dejado depósitos en la superficie trasera de los prismas.

Cualquiera de estos mecanismos podría ser el responsable de la bajada, pero es difícil establecer cuál.

No obstante, hay otro misterio aún más intrigante sobre estos datos de medida láser. Cuando la Luna está llena, la eficiencia de los reflectores Apolo cae en otro factor de 10. Murphy y sus colegas han descartado efectos terrestres como la saturación de sus detectores de fotones cuando la Luna es más brillante.

Entonces, ¿por qué tiene lugar? Una pista procede del estudio de resultados durante eclipses lunares totales. Durante los 15 minutos que dura un eclipse, la eficiencia de los reflectores vuelve a sus niveles normales. Cuando termina el eclipse, y la Luna está llena de nuevo, la eficiencia cae inmediatamente de nuevo.

Esto apunta a un efecto térmico. Cuando el Sol está bajo en el cielo lunar, sus rayos no pueden entrar directamente en los prismas que están al final de los conjuntos. Pero cuando el Sol está alto (que es cuando la Luna aparece llena en la Tierra), sus rayos viajan directamente al prisma. Esto probablemente los calienta, distorsionándolos y reduciendo la eficacia de sus reflejos.

Pero, ¿por qué ahora? El efecto de la Luna llena no fue un problema en los primeros días de la medida lunar.

“El polvo tal vez es el candidato más probable para la degradación observada”, dicen Murphy y sus colegas. La luz solar probablemente es absorbida por el polvo en las superficies ópticas, las cuales, a su vez, calientan los prismas de sílice.

Se sabe que el polvo flota sobre la superficie lunar debido a las fuerzas electrostáticas y a los impactos de micrometeoritos, que probablemente envían algunas ráfagas a la atmósfera lunar regularmente.

Es un trabajo interesante. Y uno que tiene interés aparte de para los astrónomos, dado que tiene implicaciones para cualquiera que piense llevar herramientas a la Luna en el futuro. Distintos astrónomos quieren mandar telescopios a la Luna, particularmente a la cara oculta debido a las excelentes condiciones de visibilidad y su aislamiento de la Tierra. Saber cómo ha sobrevivido el instrumental de Apolo será crucial para diseñar estos otros.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1003.0713: Long-Term Degradation Of Optical Devices On The Moon

Fecha Original: 5 de marzo de 2010
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Los monitores para bebés podrían traducir, en el futuro, los llantos infantiles, así los padres sabrían con certeza si su hijo tiene sueño, hambre, necesita un cambio o siente dolor. En la revista Internacional Journal of Biometrics, científicos japoneses informan de los detalles de un programa informático estádistico que puede analizar los llantos del bebé.

Como todos los nuevos padres saben, los bebés tienen un método muy ruidoso para revelar su estado emocional – llorar. Lamentablemente, el manual para padres no ofrece una guía para determinar qué significan los llantos. A veces los padres aprenden con la experiencia que el llanto de sus hijos puede ser ligeramente diferente dependiendo de su causa, si es por hambre o por incomodidad.

Ahora, ingenieros de Japón han recurrido a un enfoque de diseño de producto, conocido como “ingeniería Kansei”, inventada en los 70 por el profesor Mitsuo Nagamachi, Rector de la Universidad Internacional de Hiroshima, cuyo objetivo es “medir” los sentimientos y emociones.

Tomomasa Nagashima del Departamento de Ciencias de la Computación e Ingienería de Sistemas, en el Instituto de Tecnología Muroran, en Hokkaido y sus colegas explican que el problema fundamental, en la construcción de un detector de emociones para el llanto de los bebés, es que el bebé no puede confirmar verbalmente lo que significan sus lloros. Varios investigadores han intentado clasificar las emociones de los niños basándose en el análisis de un patrón de llanto, pero con poco éxito hasta ahora.

El equipo ha empleado un método de reconocimiento de patrones de sonido que utiliza un análisis estádistico de la frecuencia del llanto y de la función de potencia del espectro de audio para clasificar los distintos tipos de llantos. Fueron capaces de relacionar los distintos espectros de audios grabados con el estado emocional del bebé tal y como confirmaron los padres de los niños. En sus grabaciones de prueba, se usáron bebés con un doloroso trastorno genético para diferenciar entre el llanto doloroso y otros tipos de llanto más obvios. Consiguieron el 100% de éxito en una validación para clasificar el llanto de dolor y el llanto “normal”.

La investigación ha desarrollado un método teórico de sonido para la clasificación de las emociones infantiles, aunque limitada a una emoción específica, basada en el análisis de los espectros de audio del llanto del bebé. La técnica podría, algún día, ser incorporada a un dispositivo electrónico portátil, o aplicación, para ayudar a los padres o cuidadores a decidir qué hacer cuando su hijo está llorando.

Más información: “Statistical method for classifying cries of baby based on pattern recognition of power spectrum” de Int. J. Biometrics, 2010, 2, 113-123

Fecha Original: 24 de febrero de 2010
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Nuevos cálculos revelan que el grafano p-dopado debería superconducir a 90K, haciendo posible una generación completamente nueva de dispositivos enfriados por nitrógeno líquido.

Hay un problema con los superconductores de alta temperatura. Hace más de dos décadas que se descubrió que ciertos óxidos de cobre pueden superconducir a temperaturas superiores a 30 K.

Esos años estaban llenos de promesas, hipérboles y ferviente investigación. Los físicos saben ahora que los óxidos de cobre superconducen de una forma completamente distinta a los supercondcutores convencionales BCS (por Bardeen, Cooper y Schrieffer, que desarrollaron la teoría que hay bajo ellos). Y, de nuevo, nadie está de acuerdo en, precisamente, cuál es el nuevo mecanismo. Ni siquiera se ha creado un supreconductor que sea útil a temperatura ambiente, es decir, por encima de la temperatura del nitrógeno líquido.

Incluso con el resurgimiento del entusiasmo del año pasado tras el descubrimiento de que el diboruro de magnesio superconducía a altas temperaturas, probablemente de la misma forma que los BCS de la vieja escuela, pronto se dio paso al malestar cuando los físicos descubrieron que eran incapaces de basarse en tal avance para crear mejores superconductores. Es tentador pensar que los superconductores nunca superarán la barrera del nitrógeno líquido.

Pero hoy se recupera la esperanza gracias a un fascinante conjunto de cálculos llevados a cabo por Gianluca Savini de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y un par de colegas. Calcularon las propiedades del grafano p-dopado a partir de sus principios básicos y dicen que debería superconducir a la templada temperatura de 90K o más, bien dentro del rango de enfriamiento del nitrógeno líquido.

Es más, el grafano p-dopado debería superconducir de la misma forma que lo hacen los viejos superconductores BCS. Esto es curioso debido a que todo el mundo cree que la superconductividad BCS no puede funcionar a temperaturas altas.

La razón es la energía de la interacción entre los electrones superconductores y el material que los rodea. En los superconductores BCS comunes ésta se cree que es de apenas una decenas de meVs. En los óxidos de cobre, no obstante, estas interacciones tienen una energía de unos cientos de meVs. Esta diferencia es la que hace que los físicos crean que los superconductores BCS nunca trabajarán a la temperatura de los óxidos de cobre.

Y aunque el descubrimiento del diboruro de magnesio superconductor desafía esa idea – la energía de estas interacciones en el MgB₂ es mucho mayor. Parece haber tres factores que se unen para hacerlo posible, dicen Savini y compañía. El primero es la energía característica de los fonones en el MgB₂ la cual se debe a la extensión de los enlaces y desempeña una parte importante al ayudar a los superconducotres a través de la estructura. Segundo es la densidad de estados de los electrones en el material y finalmente señalan al equilibrio entre el acoplamiento electrón-fonón y la interacción repulsiva electrón-electrón en MgB₂.

¿Podría ser posible encontrar materiales en los que estas cantidades puedan ser manipuladas aún más? Puedes apostar que sí. Savini y sus colegas observaron que el diamante p-dopado tiene dos de estas características pero superconduce sólo a 4K.

No obstante, calculan que el grafano p-dopado encaja perfectamente y debería superconducir a 90K en la forma de los viejos BCS. Es más, dicen que hay pistas de que los nanocables de diamante p-dopado podrían tener propiedades similares.

Distintos grupos están ya trabajando con nanocables de diamante dopados.

Las implicaciones de todo esto son asombrosas. Primero está la posibilidad de dispositivos superconductores útiles enfriados sólo por nitrógeno líquido. ¡Por fin!

Pero hay otra implicación más exótica: creando puertas similares a las de un transistor a partir del grafano dopado de distintas formas, debería ser posible crear dispositivos en los que pueda activarse y desactivarse la superconductividad. Esto hará posible una clase totalmente nueva de conmutadores.

Antes de todo eso, no obstante, alguien tiene que hacer el grafano p-dopado. Será difícil. El propio grafano apenas se fabricó por primera vez el año pasado en la Universidad de Manchester. Sería entretenido seguir la carrera para crear y probar la versión p-dopada.

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1002.0653: Doped Graphane: a Prototype High-Tc Electron-Phonon Superconductor

Fecha Original: 5 de febrero de 2010
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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) volverá a ponerse en marcha este mes en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) y funcionará sin parar los próximos 18 ó 24 meses. Después detendrá su actividad durante un periodo largo y volverá a operar a mayor energía. Así lo han acordado los responsables del LHC en el encuentro que la semana pasada celebraron en Chamonix (Francia).

“La decisión más importante que hemos alcanzado es operar el LHC de 18 a 24 meses a una energía de colisión de 7 TeV (3,5 teraelectronvoltios por haz), y después haremos una larga parada para realizar todos los trabajos necesarios que nos permitan alcanzar la energía de colisión prevista en el LHC de 14 TeV en el siguiente período de funcionamiento”, explica Steve Myers, director de aceleradores y tecnologías del CERN, tras la reunión de los científicos del LHC en Chamonix (Francia), donde anualmente celebran un encuentro.

“Esto significa” -prosigue Myers- “que cuando los haces vuelvan a circular este mes por el LHC entraremos en la fase más larga de operación del acelerador en la historia del CERN, que nos va llevar hasta el verano u otoño de 2011″.

El director recuerda en un comunicado que el LHC, que detuvo su actividad a finales de 2009, es diferente a cualquier máquina anterior del CERN: “Es una instalación criogénica, cada fase está acompañada por largas fases de enfriamiento y calentamiento y, por esa razón, el modelo operativo tradicional del CERN de ‘funcionamiento durante el verano y parada en invierno’ ya se había puesto en duda”.

Además, los responsables del gran acelerador de partículas reconocen la necesidad de preparar la máquina para funcionar con energías de colisión “significativamente más altas” a los 7 TeV que habían seleccionado para la primera etapa del proyecto.

Los últimos datos de los técnicos indicaban que, aunque se puede explotar el LHC a 7 TeV sin riesgos para la máquina, si se opera a más energía se requiere un trabajo mayor en el enorme túnel. De esta forma se ha tenido que elegir: funcionar durante unos pocos meses y programar sucesivas paradas cortas para incrementar la energía, u operar durante un periodo largo y programar una sola parada también larga antes de alcanzar los 14 TeV (7 TeV por haz). Los responsables del LHC han optado por la segunda posibilidad.

Myers concluye: “A la larga es la decisión correcta para el LHC y para los experimentos. Esto da al personal de la máquina el tiempo necesario para preparar cuidadosamente el trabajo necesario antes de permitir los 14 TeV. Y para los experimentos, los 18 ó 24 meses aportarán datos suficientes de todas las áreas de descubrimiento potenciales para posicionar firmemente al LHC como la instalación más importante del mundo en física de partículas de alta energía”.

Fecha Original: 4 de febrero de 2010
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El investigador Eugenio Coronado y su equipo del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia han desarrollado a nivel químico un material superconductor y ferromagnético a la vez, dos propiedades incompatibles en la naturaleza. La información se ha presentado hoy durante un encuentro organizado por la Fundación Ramón Areces y el grupo editorial Nature, en el que diversos expertos han debatido sobre la revolución nanotecnológica.

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

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

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

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

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

Más almacenamiento y nanochips

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

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

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

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