¿Los secretos del universo ocultos en un chip?

Un aislante topológico usado en electrónica puede ayudar a probar la Teoría Cuántica de Campos

Una oscura clase de material se podría utilizar para simular una gran cantidad de partículas exóticas que han predicho los físicos, pero nunca se han visto.


Dibujo de un ordenador en una esfera en una placa de circuito dentro de un haz de luz, lo que representa cómo pueden ser controlados y almacenados los datos en un ordenador cuántico. Los aisladores topológicos podrían ser el próximo campo de pruebas para la física de partículas. M. KULYK / SCIENCE PHOTO LIBRARY KULYK / Science Photo Library

Reesultados preliminares de un trabajo, presentados el pasado 14 de marzo en la apertura de la reunión de la Sociedad Física Americana en Portland, Oregon, indican que se ha fabricado un trozo de un “aislante topológico” que es suficientemente grande como para probar algunas extrañas predicciones de la Teoría Cuántica de Campos, una versión de la mecánica cuántica que se utiliza habitualmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de una cantidad de inusuales partículas, que, si se las reproduce en este material, podrían resultar útiles para aplicaciones futuras tales como quebrar códigos en computadoras cuánticas o en la espintrónica, una electrónica que se basa en el espín de las partículas tanto como en 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) con un grosor suficiente como para poner la prueba la teoría.

Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones por fuera pero actúan como aislantes en su interior. El origen de esta propiedad que parece mundana está en la forma en que se mueven los electrones a través del material. Los electrones transportan un “espín” mecánico cuántico que apunta hacia “arriba” o jacia “abajo”. Normalmente, el espín es independiente del movimiento de un electrón, pero dentro de los aislantes topológicos, los espines de los electrones tienen una fuerte relación con su movimiento.

El “multiverso” en un chip

Esta relación entre espín y movimiento lleva a que los aislantes sean un buen medio para modelar algunas formulaciones de la Teoría Cuántico de Campos, dice Shoucheng Zhang, físico teórico de la Universidad de Stanford en California.

La Teoría Cuántica de Campos ha sido muy éxitosa en describir el universo, pero algunas de sus predicciones han resultado ser difíciles de demostrar. Algunas formulaciones indican la existencia de axiones, partículas que interactúan débilmente que fueron propuestas para dar cuenta de la invisible “materia oscura”, que podrían formar parte de casi un cuarto de la masa del universo. La teoría también admite la existencia de monopolos magnéticos, puntos de norte y sur independientes que nunca se han observado en la naturaleza.

“Nosotros vivimos en un tipo de universo, pero dentro de estos sólidos se pueden crear esos universos inusuales”, dice Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton en New Jersey. “Esto es bueno”.

Las partículas no serían las mismas que predice la Teoría Cuántica de Campos; por ejemplo, un estudio hecho por Zhang y sus colegas muestra que los axiones podrían ser simulados como fluctuaciones magnéticas dentro de un aislante topológico1. Pero la analogía servir de guía a los científicos para saber dónde buscar el equivalente real de esa partícula en el universo. Haciendo pasar luz polarizada por el aislante se podrían revelar signos reveladores de los axiones. Si en realidad existen los axiones, entonces la msima señal podría aparecer en la radiación de fondo de microondas cósmica, radiación primordial dejada por el Big Bang.

Algunas de las exóticas partículas que se han propuesto también podrían tener usos prácticos. Se predice que una clase, conocida como fermiones de Majorana, han de ser muy estables, lo que permite usarlas en computadores cuánticos para almacenar datos.

Cosas hediondas

El HgTe que usa Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta el momento sólo se ha visto el comportamiento de aislante topológico en los bordes de finas rodajas de material. En los resultados preliminares, presentados en una clase anterior a la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones en la superficie de esta muestra tridimensional se estaban comportando como lo harían en un aislante topológico. “Si todo esto funciona, podemos comprobar experimentalmente la Teoría Cuántica de Campos”, dijo.

Si el HgTe está a la altura de estas expectativas, Molenkamp dice que pronto puede comenzar la búsqueda de “raras cosas” que se ha predicho que residen en su interior.

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

Zhang dice que los resultados son muy interesantes. Sin embargo, reconoce que, aunque los axiones y monopolos podrían existir dentro de un aislante topológico, no significa que vayan a existir en el mundo real. “Eso no significa que los vamos a ver en el universo”, dijo. “Pero al menos nos dirá que estas ecuaciones son tan locas”.

Referencias:

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

Fuente: Nature News.

Nuevo mapa climático revela los secretos de la gran mancha roja de Júpiter

Nuevas imágenes revelan una vista sin precedentes de los vientos que rotan dentro de la famosa Gran Mancha Roja de Júpiter y permiten a los científicos construir el primer mapa climático detallado del interior de esta tormenta gigante

“Es nuestra primera mirada en detalle dentro de la mayor tormenta del Sistema Solar”, dijo Glenn Orton, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, y líder del equipo que estudió la mancha roja de Júpiter.


Orton y su equipo observaron imágenes térmicas de la Gran Mancha Roja tomadas por el Telescopio Muy Grande (Very Large Telescope, VLT) del Observatorio Europeo del Sur (European Southern Observatory, ESO) en Chile. Las imágenes revelaron que los colores más rojos en la Gran Mancha corresponden a un núcleo caliente dentro del sistema de tormenta fría, y las imágenes muestran vías oscuras en los bordes de la tormenta, donde los gases descienden a las regiones profundas del planeta.

Las observaciones se detallarán en la revista Icarus y les aportan a los científicos una idea sobre los patrones de circulación dentro del sistema de tormenta más conocido en el Sistema Solar.

“Alguna vez pensamos que la Gran Mancha Roja era un antiguo óvalo liso sin demasiada estructura, pero estos nuevos resultados demuestran que, de hecho, es extremadamente complejo”, dijo Orton.

La Gran Mancha Roja de Júpiter tiene cientos de años de antigüedad, al menos, y ha sido observada por los astrónomos desde hace siglos. La tormenta es masiva, y es suficientemente grande como para alojar tres Tierras en su interior.

Las imágenes del VLT permiten a los astrónomos mapear la temperatura, los aerosoles y el amoniaco en la Gran Mancha Roja, dentro y alrededor de la tormenta, y hacer mapas de cómo cambian con el tiempo. Los años de observación del VLT, acoplados a los de otros observatorios, revelan cómo la tormenta es increíblemente estable a pesar de las turbulencias, agitación y encuentros cercanos con otros anticiclones que afectan al borde del sistema de tormenta.

Júpiter también tiene una Pequeña Mancha Roja, que se formó en el 2000. En el 2008, una tercera mancha roja apareció en la superficie de Júpiter, una tormenta que antes era blanca y de forma oval,. Pero es la Gran Mancha Roja la que domina la atención en el nuevo estudio.

La Gran Mancha Roja es una zona fría en Júpiter con temperaturas medias de menos 160 grados Celsius (- 256 º Fahrenheit).

“Uno de los hallazgos más intrigantes muestra que la parte central de la mancha, de más intenso naranja-rojo, está a 3 a 4 grados más caliente que el ambiente que la rodea”, dijo el miembro del equipo Leigh Fletcher de la Universidad de Oxford en Inglaterra.

Esta diferencia de temperatura podría no parecer mucho, pero es suficiente para permitir la circulación de la tormenta, normalmente en sentido anti-horario, desplazándose a una débil circulación horaria en el propio centro de la tormenta. No sólo eso, sino que en otras partes de Júpiter, el cambio de temperatura es suficiente para alterar la velocidad de los vientos y afectar los patrones de nubes en los cinturones y zonas.

“Esta es la primera vez que podemos decir que hay un vínculo íntimo entre las condiciones ambientales —temperatura, viento, presión y composición— y el color real de la Gran Mancha Roja”, dijo Fletcher. “Aunque podemos especular, aún no sabemos con seguridad qué elementos químicos o procesos están provocando ese profundo color rojo, pero sabemos que está relacionado con cambios en las condiciones ambientales en el núcleo de la tormenta”.

Fuente: Space.

El rompecabezas de 21 Lutetia

El asteroide 21 Lutetia ha desconcertado a los astrónomos desde su descubrimiento. Ahora han creado un audaz conjunto de predicciones sobre lo que la nave espacial Rosetta encontrará cuando vuele sobre este misterioso asteroide en julio.
El 10 de julio, la nave espacial Rosetta de la Agencia Espacial Europea (ESA) volará a unos pocos miles de kilómetros de 21 de Lutetia, un asteroide que orbita el Sol entre Marte y Júpiter.


Lutetia es un objeto extraño. Se clasifica como un asteroide de tipo M, que se piensa están hechos principalmente de níquel y hierro. Sin embargo, el espectro de Lutetia no parece mostrar ninguna evidencia de metales. De hecho, Lutetia es exactamente un rompecabezas para los astrónomos. Esa es, en parte, la razón por la que fue elegido para sobrevolarlo.
Al llegar julio, entonces, los astrónomos conocerían la respuesta a este enigma. Pero en la recta final, están teniendo un poco de diversión. El juego que han inventado es ver cuán bien se puede predecir lo que Rosetta encontrará.
Hoy, Irina Belskaya en el Observatorio de París y unos pocos amigos, lanzaron una estocada tentativa. Hacen varias detalladas predicciones sobre Lutetia con base, en parte, en observaciones que datan de la década de 1960, pero sobre todo en los datos tomados desde el 2004, cuando se recuperó el interés en el asteroide al ser elegido como objetivo de sobrevuelo.
Entonces, ¿qué piensan que encontrará Rosetta?
Belskaya y compañía dicen que Lutetia tiene 132 x 101 x 76 km de tamaño (lo que se conoce técnicamente como forma de patata). Dicen que su textura y contenido de minerales puede variar a través de su superficie. Al menos una parte de la superficie de Lutetia estará cubierta por una capa de polvo suelto con una granulometría de media menos de 20 micrómetros de diámetro. Y la superficie de Lutetia estará conformada de un material que tiene más en común con los meteoritos de condritas carbonosas que se encuentran en la Tierra que con los de hierro-níquel.
Pero su predicción más interesante es que Lutetia tendrá una forma “no convexa”. Eso significa que se verá un gran cráter en su superficie. De hecho, su forma estará dominado por este cráter.
Es divertido ver un conjunto audaz de previsiones como estas. Y sólo faltan cuatro meses hasta que nos enteramos de cuán bien las han realizado.

Referencia de publicación: arxiv.org/abs/1003.1845: Puzzling Asteroid 21 Lutetia: Our Knowledge Prior To The Rosetta Fly-By

Fuente: Technology Review.