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Equipo anuncia la observación de una transición de Mott en un superconductor

El descubrimiento conecta de forma experimental los mundos de la mecánica clásica y cuántica y aclara la naturaleza misteriosa de la transición de Mott. También podría arrojar luz sobre la física del no equilibrio, que es poco conocida, pero gobierna la mayor parte de lo que ocurre en nuestro mundo. El hallazgo también puede representar un paso hacia componentes electrónicos más eficientes basados en la transición de Mott

Un equipo internacional de investigadores, entre ellos el Instituto MESA+ de Nanotecnología de la Universidad de Twente, en los Países Bajos, y el Departamento de Laboratorio Nacional de Argonne, anunció esta semana en Science la observación de una transición dinámica de Mott en un superconductor.

Desde que se crearon sus cimientos en la primera parte del siglo 20, los científicos han estado tratando de reconciliar la mecánica cuántica con las reglas de la física clásica o newtoniana (como la manera en que usted describe la trayectoria de una manzana lanzada al aire, o cómo cae de un árbol). Los físicos han hecho avances en la vinculación de los dos enfoques, pero los experimentos que conectan las dos siguen siendo pocos y distantes entre sí; los fenómenos de la física se suelen clasificar como cuánticos o clásicos, pero no ambos a la vez.


Los científicos anunciaron la primera observación de la transición de Mott de un vórtice dinámico, que conecta de forma experimental el mundo de la mecánica cuántica y la física clásica y podría arrojar luz sobre el mundo poco conocido de la física del no equilibrio. CRÉDITO: Imagen cortesía de Valerii Vinokur, Argonne National Laboratory/Ciencia

Se encuentra un sistema que une los dos en los superconductores, materiales que conducen la electricidad perfectamente cuando se los enfría a temperaturas muy bajas. Los campos magnéticos penetran en el material superconductor en forma de diminutos filamentos llamados vórtices, que controlan las propiedades electrónicas y magnéticas de los materiales.

Estos vórtices muestran ambas propiedades: clásica y cuántica, lo que llevó a los investigadores a estudiarlos para acceder a uno de los fenómenos más enigmáticos de la moderna física de la materia condensada: la transición de Mott de aislante a metal.

La transición de Mott se produce en ciertos materiales que, de acuerdo con la mecánica cuántica de los libros de texto deben ser metales, pero en realidad se vuelven aislantes. Siendo un fenómeno complejo, controlado por las interacciones de muchas partículas cuánticas, la transición de Mott sigue siendo un misterio. Incluso no está muy claro si es o no un fenómeno clásico o cuántico. Por otra parte, los científicos nunca han observado directamente una transición dinámica de Mott, en la que una transición de fase desde un aislante a un estado metálico es inducida haciendo circular una corriente eléctrica a través del sistema; el desorden inherente a los sistemas reales disfraza las propiedades de Mott.

En la Universidad de Twente, los investigadores construyeron un sistema que contiene 90.000 islas superconductoras de niobio de tamaño nanométrico en la parte superior de una película de oro. En esta configuración, a los vórtices les resulta energéticamente más fácil asentarse en hoyuelos de energía en una disposición como una caja de huevos… y hacer que el material actúe como un aislante Mott, ya que los vórtices no se moverán si la corriente eléctrica aplicada es pequeña.

Cuando se aplica una corriente eléctrica lo suficientemente grande, sin embargo, los científicos observaron una transición de Mott dinámica cuando el sistema cambió para convertirse en un conductor metálico; las propiedades del material habían cambiado cuando la corriente lo empujó fuera de su equilibrio.

El sistema de vórtice se comportó exactamente como una transición de Mott electrónica impulsada por la temperatura, dijo Valerii Vinokur, un miembro distinguido de Argonne y el autor del estudio. Él y la coautora, Tatyana Baturina, entonces en Argonne, analizaron los datos y reconocieron el comportamiento Mott.

«Esto materializa en forma experimental la correspondencia entre cuántica y física clásica», dijo Vinokur.

«Podemos inducir de forma controlada una transición de fase entre un estado de vórtices cerrados a vórtices itinerantes mediante la aplicación de una corriente eléctrica al sistema», dijo Hans Hilgenkamp, jefe del grupo de investigación de la Universidad de Twente. «El estudio de estas transiciones de fase en nuestros sistemas artificiales es interesante por derecho propio, pero también puede proporcionar una mayor comprensión de las transiciones electrónicas en materiales reales.»

El sistema podría ofrecernos más científicos con visión en dos categorías de la física que han sido difíciles de entender: los sistemas de muchos cuerpos y los sistemas fuera del equilibrio.

«Este es un sistema clásico en el que es fácil de experimentar y ofrece lo que parece ser un acceso a sistemas de muchos cuerpos muy complicados», dijo Vinokur. «Se parece un poco a la magia».

Como su nombre indica, los problemas de muchos cuerpos implican una gran cantidad de partículas que interactúan; con la teoría actual son muy difíciles de modelar o entender.

«Por otra parte, este sistema será la clave para la creación de un conocimiento general de una física sin equilibrio, lo que sería un gran avance en la física», dijo Vinokur.

El Departamento de Energía nombró cinco grandes desafíos científicos en energía básica de nuestro tiempo; uno de ellos es la comprensión y el control de los fenómenos fuera de equilibrio. Los sistemas en equilibrio —donde no hay energía que se mueve en torno— ahora se entienden bastante bien. Sin embargo, casi todo en nuestras vidas implica flujo de energía, a partir de la fotosíntesis hasta la digestión, y los ciclones tropicales, y todavía no tienen una física para describirlos bien. Los científicos creen que una mejor comprensión podría llevar a grandes mejoras en la captación de energía, en las baterías y en el almacenamiento de energía, en los componentes electrónicos, y mucho más.

Mientras buscamos hacer la electrónica más rápida y más pequeña, los sistemas de Mott también prometen una posible alternativa al transistor de silicio. Puesto que se los puede cambiar entre conductores y aislantes con pequeños cambios en el voltaje, pueden ser capaces de codificar 1s y 0s a escalas más pequeñas y con una precisión mayor que los transistores de silicio.

 

 

‘Al principio, estábamos estudiando las estructuras por razones completamente diferentes, a saber, para investigar los efectos de la falta de homogeneidad en la superconductividad», dijo Hilgenkamp.»Después de discutir con Valerii Vinokur en Argonne, buscamos más específicamente en nuestros datos y quedamos bastante sorprendidos al ver que se revelaron tan bien los detalles de la transición entre el estado de vórtices bloqueados y en movimiento. Hay muchas ideas para continuar los estudios, y esperamos que nuestra colaboración continúe».

Los resultados se publicaron en el estudio «Critical behavior at a dynamic vortex insulator-to-metal transition», publicado en la revista Science. Otros co-autores están asociadas a la rama siberiana de la Academia Rusa de Ciencias, el Centro Internacional de Roma para la Ciencia de los Materiales, Superstripes (RICMASS), la Universidad Estatal de Novosibirsk, el Instituto de Moscú de Física y Tecnología y la Universidad Queen Mary de Londres.

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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John Ellis, físico teórico del CERN: "El espacio puede tener hasta cinco dimensiones"

Para John Ellis (Hampstead, Reino Unido, 1946) las partículas elementales son bailarinas haciendo piruetas, las dimensiones extra se esconden tras el trazo de un lápiz sobre un papel y la gravitación cuántica convertiría el espacio-tiempo en espuma

Este físico teórico del CERN y del King’s College de Londres colaboró en el planteamiento del LHC de Ginebra, y antes en su antecesor el LEP. Y ya está trabajando en lo que podría ser el acelerador de partículas del futuro, con seis veces más energía que el nuevo LHC. Pero su mente nunca para de fabricar ejemplos para hacer la Física más entendible para el gran público. Visitó Madrid para impartir la conferencia ‘Las partículas elementales y el inicio del Universo’, que cerró el ciclo ‘El conocimiento a escala’, organizado por la Fundación Banco Santander.

P: Demos por hecho que se confirma que el bosón de Higgs es el que completa el Modelo Estándar. ¿Qué hay más allá?
R: Es imposible decir que es el bosón de Higgs al 100%. Hay siempre una duda. Podemos decir que tiene, con una precisión del 10%, las propiedades del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Pero no se puede comprobar que es el bosón de Higgs del Modelo Estándar. Si después de hacer más experimentos con el LHC no vemos discrepancias con el Modelo Estándar vamos a considerar otras teorías que predicen un bosón de Higgs muy similar al del Modelo Estándar.

P: ¿Como la Supersimetría?
R: Una posibilidad sería la Supersimetría, en la que habría al menos cinco bosones de Higgs y el más liviano tendría propiedades muy similares a las del bosón de Higgs del Modelo Estándar. En ese caso yo diría que hay que buscar las otras partículas supersimétricas, no sólo bosones.

P: ¿Y qué las distinguiría?
R: En los modelos supersimétricos, todas las partículas conocidas tendrían compañeras con propiedades internas idénticas, por ejemplo carga eléctrica, pero con propiedades externas diferentes, spin o momentos angulares diferentes. Yo comparo las partículas con bailarinas que hacen piruetas y unas bailan muy rápido y otras más despacio. La Supersimetría es la única teoría que podría conectar bailarinas con velocidades de rotación diferentes. La partícula supersimétrica más liviana sería un candidato para ser la materia oscura.

P: La más ligera, a pesar de que es lo que está confiriendo al Universo una masa mucho mayor que la que tiene la materia visible…
R: Los astrónomos nos dicen que la cantidad de materia oscura es seis veces más grande que la materia visible. Con una partícula supersimétrica que tuviera un peso mucho más grande que un fotón, pero con una densidad menos que la de los protones, se puede proporcionar la materia oscura. En una botella de agua como esta [sostiene la que él mismo está bebiendo] tal vez haya una posibilidad del 10% de encontrar una partícula de materia oscura. Pero el problema es cómo encontrarla, porque tiene interacciones muy débiles y hay que hacer experimentos bajo tierra donde la radiación es muy baja para tener la posibilidad de averiguar de vez en cuando un choque entre una partícula de materia oscura y un núcleo normal.

P: ¿Apostaría a que estas partículas se encontrarán en estos laboratorios antes que en el LHC?
R: Se necesitan los dos tipos de experimentos. Con el LHC tal vez podremos fabricar pares de partículas de materia ocura y tal vez podríamos medir propiedades de partículas conectadas a la partícula de materia oscura. Pero no podemos comprobar que sea estable, y tiene que serlo. Los experimentos subterráneos o submarinos pueden medir las interacciones de partículas de materia oscura, pero tendrían dificultades para comprobar que es una partícula supersimétrica. Juntos pueden dar una respuesta definitiva a la cuestión.

P: Y si no es la Supersimetría lo que hay más allá del Modelo Estándar… Entonces, ¿necesitaríamos un nuevo Einstein?
R: (Risas) Sin duda necesitamos un nuevo Einstein, siempre necesitamos más Einsteins. Una posibilidad serían las dimensiones adicionales del espacio. Conocemos tres dimensiones, pero algunas teorías, por ejemplo, alguna en la que trabajó el mismo Einstein, proponen dimensiones adicionales, tal vez cuatro tal vez cinco. Y en la teoría de las cuerdas hay la posibilidad de que haya hasta seis dimensiones adicionales, tal vez más. En este caso, en la estructura del espacio-tiempo lo que consideramos como un punto tendría una dimensión interna que no podemos ver. Otro ejemplo, una línea en la geometría tradicional de Euclides consideramos que no tiene estructura. Pero sabemos que cuando hacemos una línea con un lápiz sobre un papel sí tiene estructura porque hay un depósito de materia que hace que la línea sea visible. Y tal vez sucede lo mismo con las dimensiones tradicionales.

P: Sería precioso hacer una descubrimiento de este tipo precisamente el año del aniversario de la Teoría de la Relatividad General.
R: Claro. Sería un homenaje muy bonito. También la Supersimetría hace una extensión del concepto del espacio-tiempo en una clase de superespacio. Sería un modo muy apropiado de celebrar el aniversario.

P: ¿Teniendo en cuenta los problemas técnicos del LHC en la última semana, se podría hacer un descubrimiento de este tipo en 2015?
R: Es posible, sí. En la Supersimetría, estamos haciendo un estudio sobre las perspectivas para el futurode las bases de las partículas supersimétricas. Y ya con una fracción del número de colisiones previstas por los ingenieros podríamos descubrir partículas supersimétricas más pesadas que los límites anteriores. Así que, sí, este año hay alguna posibilidad, no diría una probabilidad, pero sí una posibilidad.

P: Sus colegas suelen referirse al concepto de belleza para decantarse por una u otra teoría. ¿Cuál es para usted la teoría más bonita para la nueva física?
R: Para mí una teoría bella es una teoría que funciona y con la que se pueden calcular las observaciones, los resultados y los experimentos. Claro que una teoría bella en el sentido estético es muy atractiva, pero no todas las teorías con éxito son atractivas desde este punto de vista. Por ejemplo, sólo su madre diría que el Modelo Estandar es una teoría bella en el sentido estético. Pero funciona muy muy bien, es una teoría muy rigurosa, muy potente. Describe toda la materia en el Universo. Por otro lado, hay teorías como la Relatividad General de Einstein, que es una teoría muy bella que además funciona muy bien. Pero Einstein descubrió la Relatividad General digamos por motivos matemáticos, tenía una intuición. Y el resultado fue una teoría muy bella, pero no empezó con la idea de construir una teoría bella, sólo quería hacer una teoría consistente.

P: Una de las piezas que faltan en la Física moderna es el matrimonio entre el mundo cuántico y la gravedad. ¿Necesitamos resolverlo?
R: Para mí es un desafío teórico y experimental… tal vez el más importante: encontrar una prueba de efectos cuánticos en la gravedad. Ese fue el interés del experimento BICEP 2 del año pasado, Pero desafortunadamente, parece que descubrieron polvo. Pero hay esperanza de descubrir estos efectos en el futuro, hay muchos otros experimentos buscando estos efectos.

P: ¿Qué significaría si se encontrase?
R: Sería el inicio de un nuevo campo de investigación. Querría decir que el espacio tiempo no es una cosa fija, clásica. Querría decir que hay fluctuaciones en la estructura del espacio tiempo. Tal vez a energías muy altas y distancias muy pequeñas el concepto del espacio tiempo desaparece. Esa fue la idea de John Archibald Wheeler hace 50 o 60 años cuando propuso la espuma del espacio tiempo. Para mí sería muy interesante encontrar pruebas de esta naturaleza espumosa del espacio tiempo.

 

 

P: Einstein trabajaba en una oficina de patentes cuando elaboró su Teoría de la Relatividad General. ¿Es posible que en la actualidad haya Einsteins trabajando fuera del sistema científico?
R: Es posible, pero más difícil ahora que antes. La infraestructura de la ciencia es más complicada ahora que hace 100 años. Pero de vez en cuando hay ejemplos, como Abdus Salam, uno de los padres teóricos del Modelo Estándar, que nació en un pueblito de Pakistán… Hay genios por todas partes.

P: ¿Puede ser necesario en el futuro construir un acelerador aún mayor que este nuevo LHC?
R: Claro que los físicos de partículas estamos pensando en esto. La semana pasada hubo una conferencia en Washington (EEUU) justamente para discutir las posibilidades. Y en el CERN estamos trabajando con otros institutos y ciudades para estudiar el proyecto de un túnel tal vez tres veces más grande que el del LHC para alcanzar energías seis o siete veces mayores que la del LHC. Sería un acelerador alrededor de la ciudad de Ginebra, en lugar de en las afueras de la ciudad. Estamos empezando los estudios. Hay que recordar que comenzamos los estudios del LHC hace 30 años. El próximo acelerador sería para los años 2040 más o menos.

Fuente: El Mundo. Aportado por Eduardo J. Carletti

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El experimento cuántico que simula una máquina del tiempo

Los físicos han simulado un fotón que interactúa con una versión anterior de sí mismo en un experimento que podría ayudar a reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad

Una de las curiosidades de la relatividad general es que parece permitir viajes en el tiempo. Varios físicos han descubierto soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein que contienen bucles que regresan al mismo punto en el espacio y el tiempo. Los físicos las llaman curvas temporales cerradas.

A primera vista, este tipo de máquinas del tiempo parecen dar lugar a todo tipo de problemas, como la paradoja del abuelo. Se trata de la situación en la que alguien viaja en el tiempo y mata a su abuelo, lo que significa que nunca podría haber nacido y entonces no podría haber vuelto a matar al abuelo.

Eso es extraño, así que los físicos han intentado encontrar maneras de prevenir estas paradojas. A principios de los años 90, por ejemplo, los cosmólogos mostraron que una bola de billar que entra en un agujero de gusano que lleva a una curva cerrada de tiempo siempre debe encontrarse con su yo más viejo saliendo del agujero de gusano. Lo que es más, en principio, la colisión resultante siempre evita que la bola entre en el agujero de gusano. En otras palabras, la bola de billar simplemente rebota en la entrada de una curva de tiempo cerrada.

Esto en cuanto a los objetos clásicos y el viaje en el tiempo. Pero ¿qué pasaría si una partícula cuántica entrara en una curva cerrada de tiempo? A principios de los años 90, el físico David Deutsch demostró que no sólo es posible, sino que sólo puede suceder de una manera que no permite la transmisión superlumínica de señales. La mecánica cuántica causa estragos en la causalidad, pero de una manera que es consistente con la relatividad, y así evita las paradojas del tipo del abuelo.

El resultado de Deutsch tiene implicaciones extraordinarias. Esto implica que se pueden utilizar curvas temporales cerradas para resolver problemas NP-completos en tiempo polinomial y para violar el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Por lo que sabemos, nadie ha creado alguna vez una curva de tiempo cerrada de Deutsch. Así que es fácil imaginar que hasta que lo hagamos, nunca sabremos si las predicciones de Deutsch son ciertas. Pero hoy Martin Ringbauer y algunos compañeros de la Universidad de Queensland en Australia dicen que no es necesario crear una curva cerrada de tiempo para probar cómo se comporta.

En lugar de ello, estos tipos han creado un sistema cuántico que reproduce el comportamiento de un fotón que pasa a través de una curva de tiempo cerrada y que interactúa con su yo más viejo. En otras palabras, estos chicos han construido el simulador de una máquina del tiempo.

Eso no es tan descabellado como parece. Los físicos han sabido por mucho tiempo que se puede utilizar un sistema cuántico para simular otro. De hecho, un área emergente de la ciencia cuántica se dedica a esta práctica. «Aunque no se han descubierto curvas temporales cerradas hasta la fecha, la simulación cuántica, sin embargo, nos permite estudiar sus propiedades únicas y su comportamiento», dicen Ringbauer y compañía.

El sistema cuántico que quieren simular es fácil de describir. Se compone de un fotón que interactúa con una versión anterior del mismo. Eso es equivalente a un solo fotón que interactúa con otro atrapado en una curva de tiempo cerrada.

Esto resulta en volver sencillo de simular utilizando un par de fotones entrelazados. Estos son pares de fotones creados a partir de un solo fotón y así, por lo tanto, comparten la misma existencia en la forma de una función de onda.

Ringbauer y compañía envían estos fotones a través de un circuito óptico que les da estados de polarización arbitrarios, y luego les permite interferir cuando llegan a un divisor de haz parcialmente polarizante. Al establecer cuidadosamente los parámetros experimentales, este sistema entrelazado puede simular el comportamiento de un fotón interactuando con una versión anterior de sí mismo.

El resultado de esta interacción se puede determinar detectando el patrón de fotones que emerge del divisor de haz.

Los resultados producen una lectura interesante. Ringbauer y compañía dicen que pueden utilizar el sistema para distinguir entre estados cuánticos que son preparados en formas aparentemente idénticas, algo que no es posible de otro modo. También pueden utilizar el simulador de máquina de tiempo para separar estados cuánticos que normalmente son imposibles de distinguir.

Pero tal vez lo más importante es que todas sus observaciones son compatibles con la relatividad. En ningún momento el simulador de máquina del tiempo lleva a las paradojas del tipo la del abuelo, independientemente de los trucos que juegue con la causalidad. Eso es lo que Deutsch predijo.

Hay algunos pliegues curiosos en estos resultados también. Por ejemplo, Ringbauer y sus colegas dicen que las entradas cuánticas pueden cambiar la salida de una manera no lineal pero sólo para algunos montajes experimentales. En otras palabras, ellos pueden controlar la forma en que el experimento retuerce la causalidad, lo cual es una vía interesante para explorar hasta qué punto es posible distorsionar la causa y el efecto.

Este es un experimento fascinante que lleva a algunas nuevas formas tentadoras para investigar la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad. Como Ringbauer y compañía concluyen: «Nuestro estudio del modelo Deutsch proporciona información detallada sobre el papel de las estructuras causales y las no linealidades en la mecánica cuántica, que es esencial para una eventual reconciliación con la relatividad general.»

 

 

Hay mucho más trabajo que hacer aquí, incluso antes de poner en marcha su Delorean. Vale observarlo.

Ref: arxiv.org/abs/1501.05014: Experimental Simulation of Closed Timelike Curves

Fuente: The Physics arXiv Blog. Aportado por Eduardo J. Carletti

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