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Crean por primera vez un agujero de gusano magnético

Los agujeros de gusano son túneles cósmicos que pueden conectar dos regiones distantes del universo, y se han popularizado por la difusión de la física teórica y por las obras de la ciencia ficción como Stargate, Star Trek o, más recientemente, Interestelar. Utilizando la tecnología de hoy en día sería imposible crear un agujero de gusano gravitacional, ya que el campo tendría que ser manipulado con enormes cantidades de energía gravitacional, que nadie sabe aún cómo generar

En electromagnetismo, sin embargo, los avances en metamateriales y la invisibilidad han permitido que los investigadores presentaran varios diseños para lograrlo.

Los científicos en el Departamento de Física de la Universitat Autónoma de Barcelona han diseñado y creado en el laboratorio el primer agujero de gusano experimental que puede conectar magnéticamente dos regiones del espacio. Consiste en un túnel que transfiere el campo magnético de un punto a otro mientras se mantiene indetectable —invisible— en todo su recorrido. La investigación fue resaltada en un artículo reciente en la revista Nature.

Los investigadores utilizaron metamateriales y metasuperficies para construir el túnel experimentalmente, de modo que el campo magnético de una fuente, tal como un imán o un electroimán, aparece en el otro extremo del agujero de gusano como un monopolo magnético aislado. Este resultado es bastante extraño en sí mismo, ya que los monopolos magnéticos —imanes con un solo polo, ya sea al norte o al sur— no existen en la naturaleza.

El efecto general es el de un campo magnético que parece viajar de un punto a otro a través de una dimensión que se encuentra fuera de las tres dimensiones convencionales.

El agujero de gusano en este experimento es una esfera de diferentes capas: una capa externa con una superficie ferromagnética, una segunda capa interior, hecha de material superconductor, y una hoja ferromagnética enrollada en un cilindro que atraviesa la esfera de un extremo al otro. La esfera está hecha de tal manera que sea magnéticamente indetectable —invisible, en términos de campo magnético— desde el exterior.

El agujero de gusano magnético es una análogo de los gravitacionales, ya que «cambia la topología del espacio, como si la región interna hubiese sidoborrada magnéticamente del espacio», explica Àlvar Sánchez, investigador principal.

 

 

Estos mismos investigadores ya habían construido una fibra magnética en 2014: un dispositivo capaz de transportar el campo magnético de un extremo al otro. Sin embargo, esta fibra era detectable magnéticamente. El agujero de gusano desarrollado ahora, sin embargo, es un dispositivo completamente tridimensional que es indetectable por cualquier campo magnético.

Esto significa un paso adelante hacia posibles aplicaciones en las que se utilicen campos magnéticos: en medicina, por ejemplo. Esta tecnología podría, por ejemplo, aumentar el confort de los pacientes alejándolos de los detectores al otenerse imágenes por resonancia magnética en el hospital, o permitir que se obtengan de forma simultánea imágenes de resonancia magnética de diferentes partes del cuerpo.

Fuente: From Quasars to Quarks. Aportado por Eduardo J. Carletti

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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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Un paso importante en la inteligencia artificial

Investigadores en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la UCSB están buscando crear cerebros informáticos más inteligentes haciéndolos más similares al nuestro

En lo que marca un importante paso adelante para la inteligencia artificial, los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara han demostrado la funcionalidad de un circuito neuronal artificial simple. Por primera vez, se probó un circuito de aproximadamente 100 sinapsis artificiales para llevar a cabo una versión sencilla de una tarea humana típica: la clasificación de imágenes.

«Es un paso pequeño pero importante», dijo Dmitri Strukov, profesor de ingeniería eléctrica e informática. Con el tiempo, y más avances, los circuitos se pueden expandir y ampliar hasta acercarse a algo así como el cerebro humano, que tiene 1015 (mil billones) de conexiones sinápticas.

A pesar de sus errores y su potencial de imperfección, el cerebro humano sigue siendo un modelo de poder y eficiencia computacional para ingenieros como Strukov y sus colegas, Mirko Prezioso, Farnood Merrikh-Bayat, Brian Hoskins y Gina Adam. Esto es porque el cerebro puede lograr ciertas funciones en una fracción de segundo, lo que a las computadoras les requeriría mucho más tiempo y energía llevarlas a cabo.

¿Cuáles son estas funciones? Bueno, usted está realizando algunos de ellas en este momento. Al leer esto, su cerebro está haciendo en fracciones de segundo innumerables decisiones sobre las letras y símbolos que usted ve, clasificando sus formas y posiciones relativas entre sí, y derivando diferentes niveles de significado a través de muchos canales de contexto, en menor tiempo que el necesario para escanear esta impresión. Cambie la fuente, o incluso la orientación de las letras, y es probable que todavía sea capaz de leer esto y obtener el mismo significado.

En la demostración de los investigadores, el circuito que implementa la red neuronal artificial rudimentaria pudo clasificar con éxito tres letras («z», «v» y «n») a partir de sus imágenes, cada letra con diferentes estilos o saturadas de «ruido». En un proceso similar a la manera en que los seres humanos escogemos a nuestros amigos a partir de una multitud, o encontramos la tecla correcta en un conjunto de llaves similares, el circuito neuronal sencillo pudo clasificar correctamente las imágenes simples.

«Si bien el circuito era muy pequeño en comparación con las redes prácticas, es lo suficientemente grande como para demostrar el concepto de practicidad», dijo Merrikh-Bayat. Según Gina Adán, si crece el interés en la tecnología, la investigación tomará impulso.

«Y, mientras se propongan más soluciones a los retos tecnológicos de esta tecnología, ésta podrá llegar antes al mercado», dijo.

La clave de esta tecnología es el memristor (una combinación de «memoria» y «resistor»), un componente electrónico cuya resistencia cambia dependiendo de la dirección del flujo de la carga eléctrica. A diferencia de los transistores convencionales, que dependen de la deriva y difusión de electrones y sus huecos a través del material semiconductor, la operación del memristor se basa en el movimiento iónico, similar a la forma en que las células neurales humanas generan señales eléctricas neuronales.

«El estado de la memoria es almacenado como un perfil de la concentración específica de defectos que se pueden mover hacia atrás y adelante en el memristor», dijo Strukov. El mecanismo de memoria iónico tiene varias ventajas con respecto a las memorias sólo a base de electrones, que lo hace muy atractivo para su aplicación en redes neuronales artificiales, añadió.

«Por ejemplo, muchas configuraciones diferentes de perfiles iónicos resultan en un continuo de estados de memoria y por lo tanto una funcionalidad analógica de la memoria», dijo. «Los iones también son mucho más pesados que los electrones y no hacen túnel (efecto cuántico) fácilmente, lo que permite un agresivo escalado de los memristores sin sacrificar sus propiedades analógicas.»

En esto es donde la memoria analógica triunfa sobre la memoria digital: con el fin de lograr la misma funcionalidad tipo cerebro humano con la tecnología convencional, el dispositivo resultante tendría que ser enorme; plagado de multitud de transistores que requerirían mucha más energía.

«Las computadoras clásicas siempre encontrarán un ineludible límite a una computación cerebral eficiente en su propia arquitectura», dice el investigador principal, Prezioso. «Esta tecnología basada en memristores se basa en un camino completamente diferente inspirado en el cerebro biológico para llevar a cabo el cálculo.»

Para ser capaz de acercarse a la funcionalidad del cerebro humano, sin embargo, se necesitarían muchos más memristores para construir redes neuronales más complejas que puedan hacer el mismo tipo de cosas que podemos hacer sin apenas esfuerzo y energía, tales como identificar las diferentes versiones de la misma cosa o inferir la presencia o la identidad de un objeto no en base al objeto en sí, sino en otras cosas en una escena.

Ya existen aplicaciones potenciales para esta tecnología emergente, tales como el proceso de imágenes para medicina, mejorar los sistemas de navegación o incluso en búsquedas basadas en imágenes y no en el texto. El circuito compacto de alta eficiencia energética que los investigadores están tratando de crear implicaría también recorrer un largo camino para crear la clase de computadoras de alto rendimiento y dispositivos de almacenamiento de memoria que se continuarán buscando mucho tiempo luego de que la proliferación de transistores digitales predicha por la Ley de Moore se vuelva demasiado difícil de manejar para la electrónica convencional.

«Lo interesante es que, a diferencia de las soluciones más exóticas, no es difícil imaginar esta tecnología integrada en unidades de procesamiento comunes y dar un impulso serio a los ordenadores del futuro», dice Prezioso.

 

 

Mientras tanto, los investigadores continuarán mejorando el rendimiento de los memristores, escalando la complejidad de los circuitos, y enriqueciendo la funcionalidad de la red neural artificial. El siguiente paso sería integrar una red neuronal de memristores con tecnología de semiconductores convencionales, lo que permitirá manifestaciones más complejas y permitir que este primitivo cerebro artificial haga cosas más complicadas y variadas. Idealmente, de acuerdo con el científico de materiales Hoskins, este cerebro consistiría en billones de este tipo de dispositivos integrados verticalmente uno arriba de otro.

«Hay muchas aplicaciones potenciales; esto sin duda nos da toda una nueva forma de pensar», dijo.

Konstantin Likharev del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Stony Brook también llevó a cabo investigación para este proyecto. Los hallazgos de los investigadores se han publicado en la revista Nature.

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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