Frase célebre

"La investigación es el proceso de recorrer callejones para ver si tienen salida." (Marston Bates)

viernes, 21 de marzo de 2014

Nuevo sistema de comunicación mediante fotones entrelazados (II/II)

(Este artículo es continuación de Nuevo sistema de comunicación mediante fotones entrelazados (I/II). Te recomiendo que lo leas primero). 

Veamos ahora cómo se podría llevar a cabo este nuevo sistema de comunicación. Una astronave girando alrededor de la Tierra tendría dificultades a la hora de recibir señales desde el suelo. El cambio constante de posición y orientación que experimenta el satélite hace que sea casi imposible recibir haces tradicionales de luz polarizada. La mayor parte del tiempo, el receptor del satélite no estaría alineado con el emisor del suelo, distorsionando la transmisión.

Si tenemos dos satélites que se mueven uno respecto del otro, no es fácil alinear sus respectivos ejes horizontales. Lo que se podría hacer es combinar dos grados de libertad diferentes de la luz, por ejemplo usando fotones polarizados circularmente. En este caso, la fase del haz no es una onda plana, sino una hélice que rota en el sentido de las agujas del reloj o al revés.

Animación de luz polarizada circularmente. [Imagen creada por Dave3457 (2010).]

Para generar el fotón polarizado circularmente, el equipo de investigación de Italia hizo pasar la luz a través de una pantalla de cristal líquido, llamada "placa q" (q-plate en inglés). Luego dirigieron el haz hacia receptores en movimiento, básicamente minitelescopios, para comprobar cómo de fiel era la transmisión de los fotones entrelazados.

Los experimentos iniciales en el laboratorio dieron buenos resultados, así que posteriormente se unieron con un equipo de la Università degli Studi di Padova conocido por transmitir fotones entrelazados a largas distancias. Hicieron pruebas hasta 100 metros que también dieron resultados positivos; y esperan llegar pronto a transmisiones de hasta un kilómetro de distancia.

No obstante, los satélites más cercanos se encuentran a unos 160 km de la superficie terrestre. Y a esas distancias otros factores podrían interferir con la transmisión. Por ejemplo, los efectos de las perturbaciones atmosféricas o los efectos relativistas de los satélites en órbita. A pesar de ello, parece que la transmisión de información mediante fotones entrelazados está, afortunadamente, cada vez más cerca.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201305/entangledphoton.cfm

sábado, 1 de marzo de 2014

Nuevo sistema de comunicación mediante fotones entrelazados (I/II)

Un equipo de investigación de Italia está desarrollando un sistema que permitirá a los físicos enviar información cuántica al espacio, así como recibirla. Se trata de un método para transmitir un fotón entrelazado (usando un tipo concreto de luz polarizada) a un receptor alineado imperfectamente, semejante a la orientación de un satélite moviéndose.

Hace tiempo que los científicos investigan las propiedades cuánticas de los fotones con la esperanza de crear un sistema de comunicación de larga distancia. Entre otras ventajas, sería imposible que un tercero interceptara y descodificara el mensaje sin alertar al transmisor y al receptor.

Para que tal sistema funcione, es necesario crear un enlace entre los dos corresponsales. Un corresponsal entrelaza dos fotones y envía uno de ellos (todavía en su estado entrelazado) al otro corresponsal. Cuando se mide el estado cuántico de un fotón, la función de onda del otro fotón también colapsa instantáneamente.

Fotones entrelazados
Representación simbólica de un par de fotones
entrelazados. [Imagen creada por Neolexx (2011).]
Mediante algún tipo de manipulación, los científicos esperan poder codificar información en este colapso, posiblemente entrelazando un tercer fotón. Se trataría de codificar la información cuántica en algún grado de libertad de los fotones y enviar luego el fotón de una persona a la otra. El planteamiento más común aprovecha la polarización de la luz.

Todavía no se ha llegado al punto de poder enviar mensajes útiles mediante este sistema. Sin embargo, sí se ha avanzado bastante en la transmisión de fotones entrelazados a grandes distancias. Un experimento que se llevó a cabo en las Islas Canarias estableció un nuevo récord de distancia en el 2012: se transmitió un fotón entrelazado a otra isla que distaba 144 kilómetros.

De todas formas, en algún momento la curvatura de la Tierra bloquearía la línea de visión de la transmisión, por lo que haría falta utilizar un satélite para transmitir la señal. Pero es más fácil decirlo que llevarlo a la práctica. Te contamos cómo en la segunda parte de este artículo. No te la pierdas.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201305/entangledphoton.cfm

viernes, 14 de febrero de 2014

Nuevos acumuladores para energías renovables

Hay científicos en Harvard que están desarrollando un acumulador económico basado en compuestos orgánicos. Acumulan la energía usando quinonas, que son moléculas orgánicas que se encuentran con frecuencia en la naturaleza. Si se puede adaptar este diseño de acumulador a niveles industriales, las energías solar y eólica podrán ser más económicamente viables.

Estos nuevos acumuladores se basan en baterías de flujo que utilizan quinonas suspendidas en agua, en lugar de los diseños actuales con vanadio (más caro) o cloro (más peligroso).
Quinona
1,4-benzoquinona, miembro prototípico de la clase de las quinonas.
[Imagen tomada de un trabajo propio de Michał Sobkowski (2007).]

Las baterías funcionan como celdas de combustible. Dos grandes tanques de líquido circulan por una pila de celdas dividida por una membrana delgada. Uno de los fluidos de la batería de flujo está cargado positivamente, mientras que el otro es negativo, de forma muy parecida a los electrolitos de las pilas tradicionales. La membrana delgada de la pila de celdas solo permite el paso de iones positivos, bloqueando los electrones y creando así una corriente que fluye a través de cualquier aparato que se conecte a la batería. Para recargarla, se invierte el proceso y los electrones se acumulan en el depósito negativo.

Las investigaciones se han centrado en las baterías de flujo porque la cantidad de energía que pueden acumular está limitada solo por el tamaño de los tanques, lo que las hace ideales para guardar la electricidad generada por la energía eólica y solar. Además, en principio se pueden cargar y descargar indefinidamente.

El mayor problema de las fuentes de energía renovable es su intermitencia: la energía solar es máxima al mediodía y va decreciendo por la tarde (en el mejor de los casos) y la energía eólica es aún más esporádica. Debido a la variación a lo largo del día de la demanda de electricidad, si las energías renovables no se pudieran acumular en grandes cantidades y de forma económica, su uso nunca llegaría a ser realmente viable. En una época donde se busca la creación de electricidad de forma no contaminante pero sin querer renunciar a las grandes cantidades que necesitamos, la comercialización de estos acumuladores sería una gran noticia.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201305/flowbattery.cfm

viernes, 7 de febrero de 2014

Quimiotaxis eucariota o la física de los gradientes

Un pequeño arañazo puede ser bastante doloroso. Afortunadamente, el dolor es transitorio y se disipa rápidamente cuando la herida se cura. Los encargados de facilitar el proceso de curación son los neutrófilos, un tipo de glóbulos blancos que elimina las bacterias y otros materiales extraños de la herida. Los neutrófilos residen normalmente en el sistema circulatorio; pero, cuando se les necesita, dejan la corriente sanguínea y navegan con eficiencia a través del tejido conjuntivo hacia la zona herida. Pero, ¿cómo saben dónde ir? La respuesta es la quimiotaxis, el proceso por el que las células son capaces de seguir gradientes químicos.

Además de la curación de heridas, la quimiotaxis es importante en muchos otros procesos biológicos. Durante la fertilización, los espermatozoides pueden encontrar el óvulo ayudados por la información química. En el desarrollo embrionario, las células a menudo se dirigen al sitio adecuado mediante gradientes. La quimiotaxis también puede colaborar en la extensión del cáncer durante la metástasis, el proceso por el que las células dejar el tumor primario y engendran nuevos tumores en otras partes del cuerpo. Los experimentos muestran que los gradientes de los factores de crecimiento sirven de guía en el inicio del proceso metastásico; este primer paso supone el desplazamiento de las células malignas desde el tumor hacia los vasos sanguíneos.
Quimiotaxis
Quimiotaxis de células procariotas y eucariotas.
[Imagen de Laszlo Kohidai MD, PhD; 15-III-2006.]

Los ejemplos anteriores implican células eucariotas, que son aquellas células con núcleo que forman la base de la vida pluricelular. No obstante, la quimiotaxis también se da en células bacterianas (procariotas). Las bacterias normalmente usan gradientes químicos para determinar la localización de fuentes de alimento. Sin embargo, los mecanismos de motilidad que emplean son fundamentalmente diferentes de los que usan las células eucariotas, de mayor tamaño. Las bacterias utilizan un mecanismo de muestreo temporal para determinar la dirección del gradiente: si la célula siente cuando se mueve que la concentración aumenta, continúa moviéndose en el mismo sentido. Por otro lado, las células eucariotas usan su tamaño para medir diferencias espaciales a lo largo de su cuerpo; su habilidad para sentir un gradiente químico no requiere movimiento celular.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/66/2/10.1063/PT.3.1884

viernes, 31 de enero de 2014

Sal que daña edificios y obras de arte

Existen muchos edificios y obras de arte construidos con materiales porosos que llevan las marcas provocadas por la sal. Un ejemplo es la Iglesia del Sagrario, en Granada (España), que se muestra en la fotografía.

Iglesia del Sagrario, Granada, EspañaEl agua salada se introduce por los poros y se aloja allí, pudiendo sobresaturarse cuando se enfría o cuando se evapora el agua. Cuando las sales de la solución sobresaturada precipitan, aparecen presiones asociadas con el crecimiento frustrado de cristales, creando grandes fuerzas que dañan las paredes de los poros.

El proceso de evaporación que lleva a la sobresaturación no se ha estudiado mucho con anterioridad, pero un equipo de la Universidad de Granada, dirigido por Carlos Rodríguez Navarro, ha investigado ahora en detalle la evaporación de una solución de sulfato de sodio confinada.

Resultados de calorimetría y difracción de rayos X revelaron que la sal de sodio (responsable de daños en la vida real) existe inicialmente en la solución como un heptahidrato metaestable (Na2SO4·7H2O), pero experimenta una transición de fase a la mirabilita (Na2SO4·10H2O), estable pero menos soluble, cuando se produce la evaporación. El resultado es una solución altamente sobresaturada.

Mediante técnicas analíticas, el equipo de Granada pudo determinar la concentración de mirabilita y calcular la fuerza debida a la presión de cristalización. En un experimento complementario, Rodríguez Navarro y sus compañeros añadieron un compuesto a la solución salina inicial para fomentar la cristalización temprana de la mirabilita y reducir la sobresaturación. Gracias al aditivo, la presión de precipitación no era suficiente como para dañar la mayoría de los materiales de construcción.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/66/2/10.1063/PT.3.1875

viernes, 24 de enero de 2014

Premio Nobel de Física 2013 (II/II)

(Este artículo es continuación de Premio Nobel de Física 2013 (I/II). Te recomiendo que lo leas primero). 

El descubrimiento del bosón de Higgs no solo ha capturado la imaginación de los físicos, sino también del público en general. Todo el mundo quería saber más de esta partícula y de las consecuencias de su hallazgo. En realidad, se trata de un logro enorme que incluye a más de 10 000 físicos de todo el mundo involucrados en la construcción, el manejo y el análisis de datos del experimento científico más complejo y caro hasta la fecha.

La teoría de lo que finalmente se llamaría el campo de Higgs se propuso por primera vez en tres artículos de la revista de física Physical Review Letters, escritos por seis personas de tres equipos independientes y todos publicados en 1964. Las teorías explicaban la "ruptura de simetría" que da origen a las masas de las partículas, a la vez que mostraba por qué los fotones (partículas portadoras de la fuerza electromagnética) no tienen masa, mientras que los bosones W y Z (partículas mediadoras de la fuerza nuclear débil) sí la tienen. El mecanismo de Higgs unificó las fuerzas débil y electromagnética. Estos artículos pusieron la base para el desarrollo posterior del Modelo Estándar de la física de partículas.

Englert y su colaborador Robert Brout, ya fallecido y también de la Universidad Libre de Bruselas, fueron los autores del primero de los artículos de 1964; Higgs fue el autor de otro; y el tercer artículo lo escribieron Carl Hagen (ahora en la Universidad de Rochester), Gerald Guralnik (Universidad Brown) y Tom Kibble (Escuela Imperial de Londres). Los seis recibieron en 2010 el Premio J.J. Sakurai de Física Teórica de Partículas. Desafortunadamente, no pudo ser igual con el Premio Nobel, ya que éste está limitado a solo tres destinatarios.

Cuando se anunciaron los premios, Hagen dijo que la confirmación de la partícula de Higgs fue la culminación de casi 50 años de trabajo. A pesar de que no se le incluyera a él y a sus coautores en los premios por el límite de tres personas, expresó estar muy orgulloso del trabajo que hicieron, de lo completa que era su explicación y de cómo eso ha contribuido a nuestra comprensión de la forma en que las partículas obtienen masa.

Desde Res Scientifica, nuestra felicitación a los seis.
Simulación de Higgs en CMS
Un ejemplo de simulación a partir de los datos de la desintegración de dos protones de muy alta energía generando un bosón de Higgs en el decaimiento en dos haces de hadrones y dos electrones en el detector CMS del LHC en el CERN. Las líneas representan las posibles vías de desintegración, mientras que la zona en azul claro representa la energía obtenida en la desintegración de las partículas en el detector. [Autor: Lucas Taylor; fuente: http://cdsweb.cern.ch/record/628469]
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201311/nobelprizephysi.cfm

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sábado, 18 de enero de 2014

Premio Nobel de Física 2013 (I/II)

Los ganadores del premio Nobel de Física del 2013 fueron François Englert (Universidad Libre de Bruselas) y Peter Higgs (Universidad de Edimburgo) por desarrollar la teoría de lo que comúnmente se llama el campo de Higgs y el bosón de Higgs. Su investigación proporcionó el mecanismo que se usa en el Modelo Estándar de la física de partículas para explicar por qué las partículas elementales tienen masa, así como para unificar las fuerzas débil y electromagnética.

Según las palabras del comité, el premio fue otorgado "por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas, y que recientemente fue confirmado a través del descubrimiento de la partícula fundamental predicha, mediante los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN".
Englert y Higgs - Nobel Física 2013
François Englert y Peter Higgs. (Foto de Victor Blacus;
fuente: File:Francois Englert.jpg y File:Higgs, Peter (1929)3.jpg).

Los físicos han estado trabajando para aislar el escurridizo bosón de Higgs y confirmar el mecanismo de Higgs desde que se predijo por primera vez en los sesenta. El CERN anunció el descubrimiento de la partícula en el Gran Colisionador de Hadrones (GCH) de Ginebra, Suiza, el 4 de julio del 2012. El bosón de Higgs era la última pieza del Modelo Estándar que quedaba por descubrir.

El campo de Higgs provoca la ruptura de simetría que da masa a las partículas elementales, siendo mayor su masa cuanto más fuertemente se une la partícula elemental al campo. Y el bosón de Higgs es la partícula asociada con ese campo.

Englert nos cuenta que el bosón es la prueba experimental de la existencia de todo el mecanismo. Primero hubo que demostrar la consistencia de su teoría, lo que llevó su tiempo. Durante los setenta se construyó el Modelo Estándar y fue después de esto cuando se pudo empezar a buscar una prueba, ya que el Modelo Estándar se verificaba de forma maravillosa excepto por un elemento que faltaba: el bosón de Higgs, cuya condensación es lo que da la masa a las partículas y fuerzas de corto alcance.

Para aislar la partícula experimentalmente, los científicos construyeron el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. El anillo de más de 27 km del GCH se halla por debajo de Suiza y Francia, y acelera protones a energías de colisión de hasta 7 TeV. Durante mucho tiempo se analizaron concienzudamente los restos de las colisiones para encontrar señales de la desintegración de algún bosón de Higgs. Hasta que, después de dos años de funcionamiento y más de 300 billones de colisiones individuales, las dos colaboraciones ATLAS y CMS del GCH anunciaron de forma conjunta su descubrimiento del bosón de Higgs.

Si te interesa el tema, no te pierdas la segunda parte, donde contaremos brevemente la historia del mecanismo de Higgs.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201311/nobelprizephysi.cfm
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