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Transiciones de fase a un nuevo universo cuántico

Actualidad Informática. Transiciones de fase a un nuevo universo cuántico. Rafael BarzanallanaEl descubrimiento de una nueva clase de transición cuántica abre el camino para un nuevo subcampo de la física de materiales y las tecnologías cuánticas.

Esta semana un artículo en Nature Physics informa de los resultados de las propiedades cuánticas de cristales ferroeléctricos, dirigido por Stephen Rowley, junto con Siddharth Saxena y Gilbert Lonzarich del Laboratorio Cavendish. Exploran un nuevo tipo de transición de fase cuántica en estos materiales aparentemente «inertes».

Las transiciones de fase cuánticas son sutilmente diferente de las familiares transiciones de fase clásicas de los cuales un ejemplo sería la congelación del agua o la fusión del hielo cuando su temperatura varía. En esa transición, se transforma la materia en un estado más o menos ordenado en función de si su temperatura se reduce o se incrementa. Sin embargo, si la temperatura se fija hipotéticamente en el cero absoluto y otro parámetro, tal como la presión se aplica para llevar a cabo una transición, se produciría sin ningún cambio en la entropía, es decir, sería una transición «de orden a orden». En las proximidades de una transición de fase con entropía cero, se encuentra a menudo la aparición de la superconductividad u otras formas de nuevo orden cuántico.

Los ferroeléctricos son materiales que comprenden dipolos eléctricos en las celdas de la unidad de la red cristalina. Debido a las interacciones entre ellos, estos dipolos se pueden alinear resultando campos eléctricos ordenados que impregnan el cristal. Mediante el uso de la presión, química, o sustitución isotópica, los ferroeléctricos se pueden modular en un régimen crítico cuántico donde existen fluctuaciones dipolares en un espacio de cuatro dimensiones eficaz y surgen debido a la criticidad de  vibraciones polares  cuantificados de la red. Esta física es muy diferente a la encontrada en otros sistemas críticos cuánticos que se centran en espín electrónico o grados de  libertad. Curiosamente el espectro de fluctuación que se encuentra en ferroeléctricos críticos cuánticos es el mismo que en los modos de partículas elementales que se propagan en tres dimensiones espaciales más una dimensión de tiempo.

Fuente: «Ferroelectric quantum criticality.» S. E. Rowley, et al. Nature Physics (2014) DOI: 10.1038/nphys2924 . Received 04 January 2013 Accepted 14 February 2014 Published online 30 March 2014

Nuevo semiconductor 2D

Actualidad Informática. Nuevo semiconductor 2D. Rafael BarzanallanaDe superlubricantes , a las células solares,  hay muchos aspectos  para sentirse satisfechos con el descubrimiento de un nuevo semiconductor bidimensional único, disulfuro de renio, logrado por investigadores del Laboratorio de Berkeley Molecular Foundry. Disulfuro de renio , a diferencia del disulfuro de molibdeno y otros dicalcogenuros, se comporta electrónicamente como si se tratara de una monocapa 2D incluso como un material a granel 3D. Esto no solo abre la puerta a  aplicaciones 2D electrónicas con un material 3D, sino que también hace posible el estudio de la física en 2D con cristales 3D fáciles de crear.

«Disulfuro de renio sigue siendo un semiconductor de banda prohibida directa, su intensidad de fotoluminiscencia aumenta mientras su espectro Raman se mantiene sin cambios, incluso con la incorporación de un mayor número de capas», dice Junqiao Wu, un físico de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley que dirigió este descubrimiento. «Esto hace que los cristales a granel de disulfuro de renio.  sean una plataforma ideal para probar la física de excitones 2D y redes, eludiendo el reto de preparar grandes superficies monocapas de un solo cristal».

Wu , quien también es profesor de la Universidad de California – Berkeley, en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería, encabezó un gran equipo internacional de colaboradores que utiliza las instalaciones de Molecular Foundry, en U.S. Department of Energy (DOE) national nanoscience center, para preparar y caracterizar monocapas individuales de disulfuro de renio. A través de una variedad de técnicas de espectroscopia , se estudiaron estas monocapas tanto como multicapas apiladas y materiales a granel. Su estudio reveló que la singularidad de disulfuro de renio se debe a una alteración en su simetría de red cristalina que se conoce como distorsión Peierls.

Ampliar en: EIN NEWS


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La energía de vibración el secreto de la electrónica con alimentación propia

Actualidad Informática.  La energía de la vibración el secreto de la electrónica con alimentación propia. Rafael Barzanallana

Un equipo de ingenieros de varias universidades ha desarrollado lo que podría ser una solución prometedora para cargar baterías de teléfonos inteligentes en cualquier lugar – sin la necesidad de un cable eléctrico.

Incorporado directamente en una vivienda móvil, el equipo nanogenerador  podría capturar y convertir la energía de vibración de una superficie, tal como el asiento del pasajero de un vehículo en movimiento, en energía para el teléfono.»Creemos que este desarrollo podría ser una nueva solución para la creación de la electrónica personal autocargable», dijo Xudong Wang, profesor asistente de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de Wisconsin-Madison (EE.UU.).

Wang, el estudiante Yanchao Mao y colaboradores de la Universidad Sun Yat-sen en China, y la Universidad de Minnesota Duluth describieron su dispositivo, un nanogenerador piezoeléctrico mesoporoso, en  la revista Advanced Energy Materials.

El nanogenerador se elebora  de un material de polímero piezoeléctrico común llamado fluoruro de polivinilideno, o PVDF. Los materiales piezoeléctricos pueden generar electricidad a partir de una fuerza mecánica, a la inversa, también pueden generar una tensión mecánica a partir de un campo eléctrico aplicado.

En lugar de depender de una red o de un campo eléctrico, los investigadores incorporaron nanopartículas de óxido de zinc en una película delgada de PVDF para desencadenar la formación de la fase piezoeléctrica  que permite la captura de la energía de vibración. Luego, se graban las nanopartículas de la película, y los poros interconectados resultantes – llamados «mesoporos» debido a su tamaño – hacen que el material de otra manera rígido, se comporte como una esponja.

Ese material esponjoso que es clave para la captura de la energía de vibración. «Cuanto más blando sea el material, más sensible es a pequeñas vibraciones», dice Wang.

El nanogenerador en sí incluye hojas de electrodos delgados en la parte delantera y trasera de la película de polímero mesoporoso, y los investigadores pueden adjuntar esta película suave, flexible a la perfección a las superficies planas, rugosas o con curvas, incluyendo la piel humana. En el caso de un teléfono móvil celular,  utiliza el propio peso del teléfono para mejorar su desplazamiento y amplificar su salida eléctrica

El nanogenerador podría convertirse en una parte integral de un dispositivo electrónico y automáticamente la energía capturada de las vibraciones ambientales serviría para alimentar el dispositivo directamente.

Wang dice que la sencillez del proceso de diseño y fabricación de su equipo se puede escalar bien a los ajustes de fabricación más grandes. «Podemos crear propiedades mecánicas sintonizables en la película», dice. «Y también es importante el diseño del dispositivo. Porque nos podemos dar cuenta que con esta estructura, podría llegar a ser posible encender el teléfono o disponer de sistemas de sensores autoalimentados».

Fuente:Universidad de Wisconsin-Madison

 

Por qué fallan las baterías de ion-litio

Actualidad Informática. Por qué fallan las baterías de ion-litio. Rafael Barzanallana. UMU

Los materiales en los electrodos de las baterías de iones de litio se expanden y se contraen durante la carga y descarga. Estos cambios de volumen favorecen la fractura de las partículas, lo que acorta la vida de la batería. Un grupo de científicos de ETH junto con colaboradores de la ISP cuantifican este efecto, por primera vez, mediante el uso de películas en 3D de alta resolución grabadas mediante tomografía de rayos x en Swiss Light Source.

Las baterías de litio se encuentran en nuestros teléfonos móviles celulares, ordenadores portátiles y cámaras digitales. Existen pocos dispositivos electrónicos portátiles que no dependan de estas fuentes de energía. Actualmente los electrodos de la batería contienen materiales activos conocidos como compuestos de intercalación.  Almacenan la carga en su estructura química sin sufrir un cambio estructural importante. Eso hace que estas baterías tengan comparativamente larga vida y sean seguras. Sin embargo, los materiales de intercalación tienen un inconveniente: su densidad de energía, la cantidad de energía que pueden almacenar por unidad de volumen y masa es limitada.

En la búsqueda de baterías de mayor densidad de energía, los científicos han experimentado durante más de 20 años con materiales capaces de procesos repetitivos de aleación y desaleación con litio. Experimentos a escala de laboratorio han demostrado que las baterías con este tipo de materiales tienen densidades de energía varias veces mayores que la de los materiales de intercalación, sin embargo, estos materiales de aleación aún no son explotados en la industria debido a que su tiempo de vida es limitado. Martin Ebner, Ph.D. estudiante en el Laboratorio de Nanoelectrónica en el Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica (D-TET ) explica: » su capacidad normalmente desaparece después de un par de ciclos de carga y descarga». Esto se atribuye a una masiva – hasta tres veces – expansión del material del electrodo durante la carga. Durante la descarga, se contraen los materiales de nuevo, pero no llegan a su estado original. Partículas de los electrodos se rompen, la estructura del  electrodo se desintegra, y los fragmentos pierden contacto con el resto de la célula.

Baterías, rayos X durante la operación

Para entender mejor este complejo de la degradación electroquímica y mecánica del electrodo y para comprender mejor cómo desarrollar mejores baterías, Martin Ebner el profesor de ETH y Vanessa Wood, jefe del Laboratorio de Nanoelectrónica en D – ITET, reconocieron la necesidad de estudiar en una batería los electrodos de forma no invasiva durante el funcionamiento. Para ello, recurrieron a una herramienta de imagen desarrollada por el profesor Marco Stampanoni. El professsor Stampanoni, trabaja en el Instituto de Ingeniería Biomédica de D – ITET y ejecuta la tomografía de rayos X en el Swiss Light Source, la instalación sincrotrón en el Instituto Paul Scherrer. La radiación de rayos X del sincrotrón espectralmente pura e intensa permite la adquisición rápida de imágenes de rayos X de alta resolución que pueden ser computacionalmente ensambladas en películas tridimensionales.

Los investigadores observaron en el interior de la batería,  cargar y descargar más de 15 horas. Se reunieron las películas únicas, tridimensionales que captan los mecanismos de degradación que ocurren en la batería y se cuantifican los procesos que ocurren dentro de cada partícula para los miles de partículas en el electrodo. Los resultados de este estudio serán publicados en la revista Science, una versión pre-print está disponible en línea en Science Express .

Cambios estructurales irreversibles

Los datos ilustran que las partículas de óxido de estaño (SnO) se expanden durante la carga debido a la afluencia de iones de litio causando un aumento en volumen de la partícula. Los científicos demuestran que el material de litiación actúa como un proceso de núcleo-corteza, progresando de manera uniforme desde la superficie de la partícula hacia el núcleo. El material al someterse a esta reacción se expande linealmente con la carga almacenada. Las imágenes de rayos X muestran que la carga destruye la estructura de las partículas de forma irreversible con las grietas que se forma dentro de las partículas. «Esto – la formación de grietas no es al azar «, enfatiza Ebner. Las grietas crecen en lugares donde la red cristalina contiene defectos preexistentes. Durante la descarga, el volumen de la partícula disminuye, sin embargo, el material no llega a su estado original de nuevo, el proceso por lo tanto no es completamente reversible .

El cambio de volumen de las partículas individuales impulsa la expansión de todo el electrodo de 50 micrómetros a 120 micrómetros. Sin embargo, durante la descarga, los  electrodos sólo se contraen a 80 micrómetros. Esta deformación permanente del electrodo demuestra que el aglutinante de polímero que contiene al electrodo aún no está optimizado para los materiales de expansión de gran volumen. Esto es crítico para el rendimiento de la batería debido a la deformación del aglutinante hace que las partículas individuales que se desconectan desde el electrodo y la batería pierdan capacidad .

Además de demostrar que la microscopía tomográfica de rayos X proporciona una idea de cambios morfológicos en las partículas y los electrodos, los investigadores muestran que esta técnica también se puede utilizar para obtener información química cuantitativa y espacial. Por ejemplo, los investigadores analizan la composición química a lo largo del electrodo de la batería para observar las diferencias en la dinámica de litiación a nivel de una sola partícula y comparar esto con el comportamiento medio de las partículas. Este enfoque es esencial para la comprensión de la influencia del tamaño de partícula, forma, y la homogeneidad de electrodo en el rendimiento de la batería .

Estas ideas sobre el funcionamiento de una batería no sería posible sin la configuración de tomografía de rayos X muy avanzada en el Swiss Light Source. «La visualización de las baterías en funcionamiento era esencialmente imposible hasta los últimos avances en tomografía de rayos X. Gracias a las instalaciones de clase mundial desarrolladas por el profesor Stampanoni y su equipo, podemos ver que hace la batería en el trabajo», añade Wood con entusiasmo.

Alternativas a los materiales cristalinos

Los investigadores eligieron óxido de estaño cristalino como un material modelo porque sufre una serie de transformaciones complejas también presentes en otros materiales, lo que permite una comprensión más profunda en el comportamiento de una variedad de materiales de la batería. Las ideas son la base para el desarrollo de nuevos materiales de los electrodos y de las estructuras de electrodos que sean tolerantes a la expansión de volumen. Para el Prof. Wood los resultados de este trabajo indican el beneficio del uso de materiales amorfos o nanoestructurados en lugar de los cristalinos». En la búsqueda de nuevos materiales, también hay que tener en cuenta que sólo son de interés industrial si pueden ser producidos en grandes cantidades a un bajo costo. Sin embargo, los materiales amorfos y nanoestructurados ofrecen un campo de juego suficiente para la innovación» subraya Wood.

Ampliar en: Researchers observe swelling of single-particle of silicon electrode for lithium ion batteries during charging reaction

Más información: Ebner M, Marone F, Stampanoni M, Wood V. Visualization and quantification of electrochemical and mechanical degradation in Lithium ion batteries. Science Express, publicado en línea 17 octubre 2013.

Materiales exóticos aumentan la seguridad electromagnética

Actualidad Informática. Metamateriales y ondas electromagnéticas. Rafael Barzanallana
Mediante el uso de materiales exóticos artificiales, los científicos de la Universidad de Duke y Boston College han logrado mejorar en gran medida las fuerzas del electromagnetismo (EM), una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sin dañar a los seres vivos ni  el equipo eléctrico. Este hallazgo teórico podría tener implicaciones para  amplia gama de aplicaciones tales como trenes de levitación magnética, que circulan por encima del suelo sin tocarlo y son impulsados por imanes.

EM se compone de dos tipos de campos,  eléctricos y magnéticos.Las fuentes de corriente alterna generan campos eléctricos y magnéticos, y si uno de ellos es ascendente conduce a la disminución del otro. Los campos eléctricos causan problemas si son  demasiado intensos.

«Para cualquier aplicación del EM que se ocupe de las cosas a escala humana son necesarios  campos EM  de alta intensidad para la generación de una fuerte fuerza EM e interfieren con otros dispositivos puediendo ser perjudiciales para los tejidos biológicos, incluyendo los seres humanos», dijo Yaroslav Urzhumov, profesor asistente de investigación en el Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Duke, Facultad de Ingeniería.

«La gravedad de este problema se reduce sustancialmente si los campos son en su mayoría magnéticos, ya que las sustancias biológicas y la mayoría de los materiales convencionales son transparentes a los campos magnéticos», dijo Urzhumov. «Si bien no podemos eliminar por completo el campo eléctrico, una metamaterial magnéticamente activo, teóricamente podría reducir la cantidad de corriente necesaria para generar un campo magnético lo suficientemente intenso, reduciendo los campos eléctricos parásitos en el medio ambiente y hacer los sistemas EM de alta potencia  más seguros. »

Los resultados de Urzhumov Fueron el análisis publicado en línea en la revista Physical Review B, y el equipo de investigación contó con el apoyo de Air Force Office of Scientific Research.

La solución a este problema de la capacidad para la fabricación de materiales exóticos compuestos conocidos como metamateriales, que no son tanto una sola sustancia, el propósito es diseñar una estructura para exhibir  propiedades que no pueden encontrarse fácilmente en la naturaleza. Estos  metamateriales pueden ser fabricados en una matriz ilimitada de tamaños, formas y propiedades dependiendo de su uso previsto.

En el ejemplo de levitación magnética de trenes, electroimanes convencionales podría complementarse con un metamaterial, que ha sido diseñados para producir intensidades significativamente más altas de campos magnéticos con la misma cantidad de electricidad.

«El metamaterial debe ser capaz de aumentar la fuerza magnética, sin aumento de la corriente eléctrica en la bobina de la fuente», dijo Urzhumov. «El fenómeno de la resonancia superficial magnetostática podría permitir a los sistemas de levitación magnética  incrementar la masa de los objetos que levitan en un orden de magnitud, mientras que se sigue utilizando la misma cantidad de electricidad».

EM se utiliza actualmente en una serie de dispositivos y aplicaciones, que van desde «pinzas ópticas» subatómicas los científicos manipulan  las partículas microscópicas con rayos láser, hasta armas potencialmente muy destructivos.

Fuente: Yaroslav Urzhumov, Wenchen Chen, Chris Bingham, Willie Padilla, David Smith. Magnetic levitation of metamaterial bodies enhanced with magnetostatic surface resonancesPhysical Review B, 2012; 85 (5) DOI:10.1103/PhysRevB.85.054430

 

Los ordenadores del futuro podrían utilizar Skyrmiones

Actualidad Informática. Red de Skyrmions. Rafael Barzanallana Se pueden almacenar datos en los materiales magnéticos mediante la realización de una serie de vórtices magnéticos, los skyrmiones. La exigencia de densidades de corriente eléctrica son 100 000 veces menores para manejar los paquetes de átomos magnetizados de las memoria habituales, estos skyrmiones podrían ser utilizado para hacer los ordenadores más rápido, más pequeño y más eficiente.

En los últimos años, los físicos descubrieron estructuras sólidas exóticas, predichas desde hace tiempo en los materiales magnéticos. El caso de los monopolos magnéticos es famoso, pero descubrimos también varios ejemplos de skyrmiones.

En 2009, investigadores alemanes de la Universidad de Colonia y la Technische Universitaet Muenchen (TUM) en Munich demostraron la existencia de cristales de skyrmiones magnéticos. Los skyrmiones son solitones, un tipo de paquetes de energía estables, descritos por ecuaciones en derivadas parciales no lineales. Uno de los ejemplos más conocidos es en hidrodinámica. Esta es la marea taladro (mascaret), una ola solitaria observada por primera vez por el escocés John Scott Russell en el siglo XIX, tras una ola de kilómetros corriente arriba y que no mostraba signos de dedebilitamiento.

Debido a su carácter estable, se ha sugerido repetidamente que las partículas elementales son solitones. Esto  había sugerido el físico británico, Tony Skyrme hace más de cincuenta años. Las partículas de Skyrme, nombradas en su  honor skyrmiones, pueden ser vistas como vórtices que llevan momento angular en un medio continuo, tales como paquetes de átomos con su espín, un momento angular intrínseco, orientado en un campo magnético. A menudo la estabilidad se explica en relación con la topología, una rama de la geometría.

Por primera vez se han detectado en un compuesto a base de manganeso y silicio. Pero los investigadores japoneses se apresuraron a demostrar que el fenómeno también apareció en otros medios magnéticos en la física del estado sólido.

Miniaturizados memorias magnéticas con skyrmiones

Los skyrmiones pueden estar formada con  sólo una docena de átomos y se pueden utilizar para almacenar bits de información. Sin embargo, se necesita aproximadamente un millón de átomos magnéticos orientados en la misma dirección para almacenar un bit de un disco duro o una cinta magnética. Dominar la escritura y la lectura de los datos mediante skyrmiones en cristales magnéticos es una nueva vía de investigación que podría  hacer disminuir aún más el tamaño de las memorias magnéticas. De manera más general, estos skyrmiones son interesantes en la espintrónica.

Los trabajos de los investigadores de la Universidad de Colonia y la Technische Universität München (TUM), han sido publicados  en la revista Nature, y están disponibles en arXiv en esta dirección.

Utilizando haces de neutrones, los físicos han descubierto que las densidades de corriente eléctrica (en amperios/m2) son 100 000 veces inferiores a las utilizadas para manipular los bits en las memorias magnéticas habituales, y son suficientes para manejar los skyrmiones. En teoría, esto significa que es posible almacenar y manipular la información en medios magnéticos mucho más pequeños que los actualmente disponibles y con menos energía.

Podemos esperar otra fuente de tecnología en el futuro, con cristales de skyrmiones. Pero no podemos ignorar la gran dificultad que hay que superar antes de que esta tecnología en el futuro sea cotidiana en nuestra vida. Las propiedades de conducción descubiertas por los investigadores solamente pueden funcionar a temperaturas muy bajas.  Como sucede con la superconductividad, se deben lograr los mismos fenómenos a temperatura ambiente.

 

 

Diagrama que muestra la conmutación compleja de la orientación del espín de un electrón (flecha negro) que pasa sobre un skyrmión magnético. La corrientes de electrones no necesita ser intensa en determinadas condiciones para que en el manejo de skyrmiones interactúen con ellos. © Technische Universität München (TUM)

Actualidad Informática. Skyrmions. Rafael Barzanallana

El grafeno revela su personalidad magnética

Actualidad Informática. Grafeno magnético. Radael Barzanallana¿Puede la materia orgánica comportase como un imán de nevera? Los científicos de la Universidad de Manchester (Reino Unido) han demostrado que es posible.

En un informe publicado en Nature Physics , utilizaron  grafeno, el material más delgado y más fuerte del mundo, y lo hicieron  magnético. El grafeno es una lámina de átomos de carbono dispuestos en una estructura de alambrada de gallinero. En su estado prístino no muestra signos de magnetismo convencional, por lo general asociados con materiales como el hierro o  níquel.

Demostrando sus notables propiedades investigadores de Manchester ganaron el Premio Nobel de Física en 2010.

Esta última investigación dirigida por la Dra. Irina Grigorieva y el profesor Sir Andre Geim (uno de los galardonados con el premio Nobel) podría resultar crucial para el futuro del grafeno en la electrónica.

Los investigadores de Manchester tomaron grafeno magnético y luego  fue ‘salpicado’ con otros átomos no magnéticos, como el flúor o quitaron algunos átomos de carbono de la estructura del grafeno. Los espacios vacíos, llamados huecos (vacantes), y los átomos  añadidos, resultaron pasar a ser magnéticos, exactamente como otros átomos como por ejemplo el hierro.

«Es como menos multiplicado por menos te da más», dice la Dra. Irina Grigorieva. Los investigadores encontraron que, al  comportarse como átomos magnéticos, los defectos deben estar muy lejos el uno del otro y su concentración debe ser baja. Si  se se agregan muchos defectos de grafeno, residen muy cerca y anulan entre sí el magnetismo. En el caso de vacantes, su alta concentración hace que el grafeno se desintegre.

El profesor Geim dijo: «El magnetismo observada es muy pequeño, e incluso la mayoría de las muestras de grafeno magnetizado no se adherirían a un frigorífico. «Sin embargo, es importante llegar a la claridad en lo que es posible para el grafeno y lo que no es. El área del magnetismo en materiales no magnéticos ya ha tenido muchos falsos positivos. »

«El uso más probable de este fenómeno se encuentra en la espintrónica. Los dispositivos de espintrónica se han generalizado, sobre todo los que se pueden encontrar en los discos duro de los ordenadores. Funcionan debido al acoplamiento del magnetismo y la corriente eléctrica.

«La adición de este nuevo grado de funcionalidad puede resultar importante para posibles aplicaciones del grafeno en la electrónica», añade el Dr. Grigorieva.

Fuente: Spin-half paramagnetism in graphene induced by point defects, by R. Nair, M. Sepioni, I-Ling Tsai, O. Lehtinen, J. Keinonen, A. Krasheninnikov, T. Thomson, A. Geim and I. Grigorieva.

Disponible en el Gabinete de Prensa de la universidad.

The University of Manchester

Creando ordenadores cuánticos mediante enfriamiento de átomos

Actualidad Informática. Redes ópticas de rubidio, para computación cuántica. Rafael BarzanallanaLas mejores dispositivos del futuro podrían crearse usando lo que esencialmente son los refrigeradores que funcionan a nivel atómico.

El nivel de control sobre la materia que los científicos están desarrollando servirá para crear objetos ultrafríos  también puede ser usado para crear enteramente nuevos estados de la materia y  superpoderosos ordenadores cuánticos, agregaron los investigadores.

Los científicos rutinariamente enfrían la materia unas pocas millonésimas de grado sobre el cero absoluto, la temperatura más baja posible en teoría, que corresponde a menos 273.15 grados Celsius. Sin embargo, les gustaría alcanzar temperaturas más frías, para entender mejor otros fenómenos extremos, como la superconductividad, en la que los electrones se desplazan sin resistencia a través de objetos.

Ahora los físicos revelan una nueva forma de lograr materia ultrafría, con una idea similar a la forma en que trabajan los frigoríficos. Bombear un fluido conocido como refrigerante en la zona que se están enfriando. Este líquido absorbe el calor. El refrigerante se bombea a un lugar donde se vuelca este calor.

Átomos fríos

En primer lugar, los investigadores enfrían los átomos de rubidio con láser. Cuando se configura correctamente, estos rayos pueden obligar a los átomos a brillar de una manera que les hace emitir más energía que la que absorben, lo que los hace más fríos.

Cuando los átomos emiten la luz como resultado de ser «golpeados» con el láser, este ejerce una ligera presión sobre ellos. Los científicos tomaron ventaja de  que la presión controla los átomos, ya sea manteniéndolos en su lugar o en movimiento a su alrededor, a veces, se originan colisiones. [ Wacky Física: The Coolest Little Particles]

Luego, los investigadores hicieron que los átomos aún se enfriaran más con refrigeración por evaporación, en la cual la materia se enfría casi de la misma forma que una taza de café pierde su calor – los átomos más calientes se dejan evaporar, dejando atrás a los más fríos.

Finalmente, los investigadores utilizaron redes de láser que  se conocen como «redes ópticas.» Cuando dos átomos se hacen colisionar dentro de la red óptica, las excitaciones de una suprimen las excitaciones de la otra, un fenómeno llamado «bloqueo de excitación orbital.» Los átomos excitados se retiran del sistema –  eliminando entropía, cantidad de energía disponible para el trabajo – por lo tanto causando que los átomos restantes se enfríen.

En experimentos con átomos de rubidio en redes ópticas, los físicos demostraron con éxito que se podría eliminar la entropía de los átomos mediante el bloqueo de la excitación orbital. En principio, se pueden alcanzar temperaturas de 10 a 100 veces más frías que se logra actualmente, a temperaturas de decenas a centenas de una mil millonésima de grado sobre el cero absoluto. Sin embargo, lo más probable la necesidad de láseres de longitudes de onda  superior, para lograrlo en la vida real, dijo el investigador Markus Greiner,  físico de la Universidad de Harvard.

Materia exótica

La investigación podría ayudar a «crear nuevos estados de la materia exóticos, los nunca visto antes», dijo Greiner LiveScience. «¿Quién sabe cuáles pueden ser las propiedades de estos materiales?»

La posibilidad de crear vectores perfecta de átomos también podría ser «un buen punto de partida para una computadora cuántica de propósito general», dijo Greiner. Las computadoras cuánticas explotan la extraña naturaleza de la física cuántica – por ejemplo, cómo las partículas subatómicas efectivamente puede girar en dos direcciones opuestas al mismo tiempo – para ejecutar  l para ciertos problemas los cálculos exponencialmente más rápidamente que un ordenador norma.

La investigación de ordenadores cuánticos ha sido sobre todo sobre los dispositivos diseñados para un tipo específico de problema, pero las redes ópticas podría llevar a la creación de computadoras cuánticas de propósito general que, al igual que las modernas computadoras personales, puede hacer frente a muchos tipos diferentes de problemas.

Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición 22 de diciembre de la revista Nature.

Un nuevo material permite «ordenar la información» a la velocidad de la luz

Los investigadores están estudiando la ciencia de «dispositivos nanoplasmónicos» cuyos componentes clave son pequeñas estructuras de metal a nanoescala, más de 1 000 veces más pequeños que el tamaño de un cabello humano, que guían y dirigen la luz.

La información es sistemáticamente ordenada y dirigida en diferentes direcciones para permitir la computación, conexiones a internet o conversaciones telefónicas. En la actualidad, sin embargo, la información de los ordenadores se  procesa mediante la codificación de señales eléctricas. Sería mucho más rápida de procesar y transmitir información en forma de luz en lugar de señales eléctricas, pero hasta ahora, ha sido difícil para los rayos de luz «ser cambiados’, que es interactuar con otros rayos de luz, durante el viaje través de un material.

Los científicos han resuelto esto con el diseño de un nuevo material artificial, que permite a los rayos de luz  interactuar de manera eficiente y cambiar de intensidad, por lo tanto permitiendo que la información sea ordenada por haces de luz a una velocidad muy alta. La estructura del material a la medida es similar a una pila de barras de escala nanométrica, a lo largo de la cual la luz puede viajar y lo más importante interactuar.

Profesor Anatoly Zayats, en el Departamento de Física en el King’s, explica: «Si fuéramos capaces de controlar un flujo de luz en la misma forma que el control de un flujo de electrones en los chips de computadora, se puede construir una nueva generación de máquinas procesadoras de datos, que sería capaz de hacer frente a enormes cantidades de información mucho más rápido que las computadoras modernas.

«El nuevo material que hemos desarrollado, a menudo llamados» metamateriales «, se podría incorporar en los actuales chips electrónicos para mejorar su rendimiento, o utilizarse para construir chips totalmente ópticos completamente nuevos y por lo tanto revolucionar la velocidad de procesamiento de datos.

«Mientras que hay muchos retos que superar, nos anticipan que en el futuro esta tecnología podría estar en nuestro PC, teléfonos móviles, aviones y automóviles, por ejemplo.»

Otros miembros del equipo involucrado en esta última investigación incluyen el Laboratorio Nacional Argonne en EE.UU., la Universidad del Norte de Florida, la Universidad de Massachusetts en Lowell, y la Queen’s University de Belfast en el Reino Unido.

La investigación se publica en la revista  .

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