Proyecto ATTOFEL

Cuando un pulso intenso de láser interactúa con un átomo normalmente genera una agitación a microescala que provoca una ionización sencilla expulsando un electrón de su órbita atómica. En ocasiones pueden eliminarse dos electrones al mismo tiempo, dando lugar a un proceso de mayor complejidad denominado ionización doble. Ahora científicos de Alemania y Estados Unidos han observado este proceso en escalas de attosegundos (un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo) y publicado sus resultados en un artículo de Nature Communications.

El estudio recibió fondos de los proyectos ATTOFEL («Dinámicas ultrarrápidas mediante fuentes de láser de electrones libres XUV y de attosegundos»), financiado con 3 601 028 euros mediante una Red de Formación Inicial Marie Curie perteneciente al tema «Personas» del Séptimo Programa Marco (7PM) de la Unión Europea, y Laserlab-Europe («Iniciativa integrada de infraestructuras europeas de investigación con láser»), un consorcio europeo de las principales infraestructuras de investigación con láser financiado con 8 650 000 millones de euros a través de la partida presupuestaria «Infraestructuras de investigación» perteneciente al tema «Capacidades» del 7PM. Los investigadores al cargo del proyecto afirmaron que los procesos de doble ionización se asemejan a una partida de billar, en la que una colisión inicial pone otras bolas en movimiento.
La luz láser intensa expulsa primero un electrón del átomo y lo acelera alejándolo del núcleo atómico para acercarlo de nuevo después. Durante la colisión el electrón transfiere parte de su energía a un segundo electrón que se excita y pasa a un orbital superior. A continuación el campo eléctrico del pulso de láser libera el segundo electrón de dicho orbital atómico.
Debido a que los procesos de doble ionización no secuencial suelen implicar múltiples recolisiones y eventos de excitación, la dificultad para interpretar los resultados experimentales con precisión es patente. Para solventar este contratiempo el equipo confinó el proceso de doble ionización no secuencial en un único evento de recolisión y excitación que permitió registrar el proceso a escala de attosegundos.
Su estrategia fue la de apuntar un pulso de láser de cuatro femtosegundos hacia átomos de argón (un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo). La onda de luz de este pulso consistió básicamente en dos «ondas máximas» y dos «ondas mínimas» (dos ciclos). Gracias a la energía del campo de láser la mayoría de los átomos alcanzan un estado de ionización sencilla y uno de cada mil de doble ionización no secuencial.
El primer electrón, tras su ionización inmediatamente posterior a la onda máxima, tardó aproximadamente 1,8 femtosegundos en volver a la órbita atómica para excitar el segundo electrón. Además se mantuvo en un estado de excitación durante unos 400 attosegundos antes de que el campo de láser lo liberara de su órbita justo antes de la segunda onda máxima.
Boris Bergues, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y uno de los autores del estudio, comentó: «Nos sorprendió observar que el segundo electrón abandona el orbital atómico 200 attosegundos antes del máximo del segundo ciclo . » De este modo el equipo logró poner en entredicho la idea de que el segundo electrón escapa de su orbital en el máximo de un ciclo valiéndose de la dinámica cuántica interna de un sistema multielectrónico regido por láser.
Este tipo de investigación a escalas temporales de attosegundos es básica para obtener un conocimiento más profundo de las interacciones entre la luz y la materia. Del mismo modo, la aplicación de esta técnica experimental al estudio de moléculas podría aclarar otros procesos multielectrónicos complejos que tienen lugar durante las reacciones químicas.

Un estudio plantea que la función de ondas describe plenamente la realidad física

En Física muchas veces no estamos muy seguros sobre si algo algo tiene existencia propia por sí mismo o es un modelo de la realidad. Digamos que en el primer caso se trataría de un hecho ontológico y en el segundo caso de algo más bien epistemológico. Creemos que los átomos son reales, así que tendrían existencia ontológica, de hecho, incluso ya los podemos ver con distintas técnicas. Sin embargo, hay modelos que han ido explicando el comportamiento de los átomos y que se han sucedido unos a otros. Según el más moderno explicaba mejor que el anterior los datos experimentales lo sustituía. Ya nadie utiliza el modelo de Borh para explicar el átomo de uranio y mucho menos el modelo de Thomson.

La gravedad (como la evolución) es un hecho. Si usted tiene dudas sobre ese hecho ontológico pruebe a subir a un edificio muy alto y lanzarse al vacío. Le garantizo que al final ya no tendrá ninguna duda al respecto (ni sobre la gravedad ni sobre cualquier otra cosa). Sin embargo, para explicar la gravedad tenemos varios modelos.

Podemos conformarnos con la gravedad newtoniana o usar la Relatividad General (que sigue siendo clásica y no cuántica). Ambas explican la gravedad bastante bien en sus respectivos regímenes. Pero si queremos explicar el desplazamiento anómalo del perihelio de Mercurio no tenemos más remedio que usar la Relatividad General (RG). Por desgracia, no contamos todavía con una teoría cuántica de gravedad, así que no podemos afirmar muchas más cosas. Se ha propuesto que la gravedad estaría mediada por una partícula de spin 2 denominada gravitón. Si esto es así, ¿en que lugar quedaría la distorsión del espacio-tiempo que propone la RG? ¿Es esa distorsión un mero modelo de realidad para realizar cálculos y en realidad tal distorsión no existe? ¿Es la distorsión espacio-temporal real y ontológica mientras que los gravitones son epistemológicos? ¿Existen realmente los gravitones o como máximo son sólo cuasipartículas conceptuales? Podremos creer en lo que dice la RG o creer en los gravitones, pero no en los dos a la vez, al menos desde el punto de vista ontológico. Epistemológicamente podemos creer en ambos a la vez.

Incluso cuando nos vamos a la Física de Altas Energías surgen las dudas sobre la ontología de la existencia de ciertas partículas. En los propios sistemas de detección e informáticos se presuponen cosas y se admiten ciertos modelos de tal modo que al final quizás tal o cual partícula realmente no exista y sólo tengamos un modelo de algo, aunque la hayamos "detectado". Obviamente este punto no es compartido por los físicos que trabajan en el LHC y similares, pues su modo de pensar (y de vida) está ya asimilado por el sistema.

Demostrar cualquiera de lo puntos anteriores es muy difícil, pues el método científico permite comprobar modelos de realidad y no distingue entre comprobar modelos y comprobar entes "reales". No suele haber datos experimentales o experimentos que distingan una situación de otra.
Este problema es aún más acusado cuando abandonamos el mundo clásico y nos adentramos en el cuántico. Aquí el problema no está en los objetos que se describen, sean átomos, electrones o quarks, sino en el marco teórico mismo. La Mecánica Cuántica (MC) funciona tan bien para calcular cantidades que durante 80 años casi se han dejado de lado sus aspectos fundacionales. El problema de interpretación de la MC se acarrea desde los inicios de la misma.
En MC se asignan funciones de onda Ψ al estado de los objetos cuánticos y se calculan valores esperados de un observable a través de un operador autoadjunto. La posición x de una partícula es un observable y le corresponde un operador autoadjunto, la cantidad de movimiento p también. El tiempo, sin embargo, no es un observable, sino que aparece en la ecuación de evolución (la ecuación de Schrödinger). Esta ecuación nos dice que si en un instante Ψ corresponde a un estado determinado al cabo de un tiempo corresponderá a otro según dicha ecuación.
Además, las funciones de ondas matemáticamente "viven" en un espacio abstracto de dimensión infinita denominado "espacio de Hilbert".

Si queremos calcular la posición de una partícula en un sistema cuántico en un momento dado tendremos que calcular el valor esperado del operador x mediante una operación que podríamos definir como "estadística". En su versión más sencilla tal cosa se simboliza así: < ψ|x|ψ>. Digamos que la función de onda se usa para calcular los valores de cosas que sí se pueden medir, pero la función de ondas en sí no se puede medir, aunque sí calcular.

Si seguimos con nuestro ejemplo de la posición, nos tenemos que dar cuenta de que al ser un cálculo probabilístico no obtenemos la posición exacta de la partícula, sino su posición más probable. La función de onda de la partícula es extensa, no puntual, y tiene un valor dado (que puede ser incluso en el plano complejo) para cada punto del espacio y evoluciona en el tiempo según la ecuación de Schrödinger. Bajo este punto de vista en realidad no hay una "partícula puntual" sino algo extenso sobre lo que se pueden calcular cosas, como la posición más probable de una "partícula" si imponemos que tiene que ser como un punto, aunque no sea tal punto. Se puede decir que la función de ondas es algo "borroso" que al medir colapsa a un valor determinado.

Recordemos aquí que el colapso de la función de ondas no es lo mismo que el valor esperado de un observable, ni en el mundo físico ni matemáticamente (una proyección sobre un subespacio de Hilbert o un valor esperado respectivamente)
Usando la función de ondas podemos calcular el comportamiento de los sistemas cuánticos, pero sólo con cierta probabilidad. Esta naturaleza probabilística difiere de cómo los físicos describen el mundo clásico no microscópico.
Es ahora cuando tenemos el problema de interpretación de la MC, algo que se remonta a los años treinta del pasado siglo (e incluso antes). Podemos asumir que la función de ondas es un objeto que representa una realidad física (visión ontológica) o asumir que sólo representa el conocimiento subjetivo que el observador tiene sobre la realidad (visión epistemológica).

En el primer caso la función de ondas corresponde a un elemento de la realidad que existe objetivamente, tanto si el observador mide como si no lo hace. Mientras que en la otra visión la función de ondas no representa la realidad, sino el conocimiento subjetivo del observador acerca de una realidad que está por debajo. La interpretación de Copenhague es precisamente esta última y la función de onda no es más que cierta idea de probabilidad que sólo asume un valor real cuando el observador realiza una medición del sistema.
A partir de este y otros problemas fue cuando Einstein, Podolsky y Rosen afirmaron que la función de ondas no proporcionaba una descripción completa de la realidad física y que la MC era incompleta. Debía de haber una información inaccesible (variables ocultas) que nos obligaba a calcular probabilidades, tal y como se hace en Física Estadística, y la realidad última sería clásica. Si así fuera Dios no jugaría a los dados.

Hace unos meses llegó a Nature un estudio que apunta a la primera posibilidad. Sus autores mostraban que una interpretación subjetiva de la función de ondas violaría ciertas asunciones plausibles [1]. Ahora un trabajo publicado en Physical Review Letters de Roger Colbeck y Renato Renner (Perimeter Institute y ETH Zurich respectivamente) apunta en la misma dirección: la función de ondas representa la realidad objetiva. Es decir, es un elemento de realidad del sistema.
Para apoyar su punto de vista usan una analogía sobre la predicción del tiempo atmosférico que reproducimos a continuación casi como viene en el artículo. Según esta analogía habría dos meteorólogos tratando de predecir el tiempo que hará mañana en un lugar. Por ejemplo, que será nuboso con una probabilidad del 67% y soleado con una probabilidad del 33% (ver ilustración de cabecera). La Mecánica Clásica describe con precisión los procesos relevantes que se dan en este sistema, así que el tiempo que hará mañana se podrá calcular determinísticamente a partir de las condiciones iniciales que se den ahora. El hecho de que la predicción sea en realidad probabilística refleja la carencia de conocimiento de los meteorólogos sobre parte de las condiciones iniciales. La predicción meteorológica no es pues un elemento de la realidad asociada con la atmósfera, sino que refleja el conocimiento subjetivo del que hace la predicción. Un segundo meteorólogo con un conocimiento diferente sobre las condiciones iniciales puede llegar a un pronóstico distinto.
Si ahora nos fijamos en la MC nos podemos preguntar si la función de ondas Ψ, que asignamos al estado de un sistema cuántico, tiene que ser vista como un objeto subjetivo como el pronóstico meteorológico o si es un elemento de la realidad del sistema (una Ψ ontológica).
El problema es que la MC es inherentemente probabilística, incluso teniendo una descripción completa de la función de ondas del sistema. La teoría no nos permite predecir el resultado de un medida con certeza. Esto ha motivado interpretaciones subjetivas de la MC como la de Copenhague. Según esta visión Ψ sería un mero objeto matemático usado para calcular cosas. Sería una Ψ epistemológica.

Estos autores ya mostraron recientemente [2] que, bajo ciertas asunciones de libre elección y si la MC es correcta, entonces la MC es "no extensible" en el sentido de que ser máximamente informativa acerca de lo que se puede obtener en las medidas. Toda información en la lista de elementos de realidad esta ya contenida en la función de ondas. Esto es, la función de ondas incluye todos los elementos de la realidad.

En este nuevo trabajo [3] muestran que la lista de elementos de la realidad incluye la función de ondas. Por tanto, la función de ondas de un sistema cuántico se puede poner en correspondencia uno a uno o con los elementos de la realidad, esto es, con las variables que describen el comportamiento del sistema. Para ello sólo se necesita asumir que los parámetros de medición pueden ser elegidos libremente y que la teoría produce una predicción estadística correcta. Estos dos aspectos están siempre implícitos en la Física. El razonamiento es más o menos como sigue (ver dibujo de arriba). Si un sistema es preparado en un estado cuántico particular Ψ, el conjunto o lista de los elementos de la realidad, denotado por Λ, dependen de esa preparación. Una determinada disposición de medidas A es elegida al azar y se produce un resultado X. Se puede asumir que Λ es completa para la descripción del sistema en el sentido de que no hay otros parámetros que produzcan información adicional acerca del resultado de cualquier medida elegida. En particular, Ψ no proporciona más información que Λ acerca de un resultado. La no-extensibilidad de la MC implica, además, que Λ no puede proporcionar más información acerca de un resultado que Ψ. Tomados estos dos argumentos juntos se concluye que Λ y Ψ son informativamente equivalentes. Además, si se tiene en cuenta el hecho de que estados cuánticos diferentes generalmente dan medidas estadísticas diferentes, entonces se puede concluir que Ψ debe ser incluida en el conjunto o lista Λ y por tanto ser considerada un elemento de realidad del sistema.

La función de ondas incluye, por tanto, toda la información acerca del sistema que en principio está disponible y que no hay nada que se escapa (a diferencia del meteorólogo que no dispone de toda la información). Pese a todo, una medida nos proporcionará una valor con cierta aleatoridad, lo que significa que la Naturaleza es inherentemente probabilística a ese nivel.

En la analogía de los meteorólogos los datos y el modelo usados por ellos serían la función de onda y la realidad se correspondería con el tiempo presente (nublado, lluvioso, soleado, etc.). Si en esa analogía hubiera una correspondencia uno a uno (como la que proponen estos físicos para el caso de la MC) entre los datos meteorológicos y el tiempo meteorológico, entonces estaríamos en una buena situación, pues el pronóstico (aunque esta predicción sea probabilística) serían tan preciso como máximamente puede ser, en el sentido de que no hay información extra que nos falte. No sabremos exactamente el tiempo que hará mañana, pero nuestro pronóstico será el mejor posible. Recordemos una vez más que la MC es determinista en su evolución porque la ecuación de Schrödinger lo es, así que la analogías no es perfecta. La aleatoriedad de la MC no está en su evolución del presente al futuro, sino en la medida, sea ahora o mañana. Es aleatoria incluso en el momento actual en el que se tiene toda la información y el paso del tiempo no mejora ni empeora sustancialmente tal problema.

Los autores afirman que su resultado es definitivo si se acepta el principio de libre elección. Sin embargo, sería legítimo cuestionar esta asunción y por eso ya trabajan en una demostración en la que la libre elección puede ser reemplazada por una premisa más débil, una libertad de elección parcial. Estos prerrequisitos más débiles serían una causalidad local y que sólo se requiera que la elección sea independiente de parámetros ocultos preexistentes (en el sentido que ya hizo Bell en su tiempo).

Los asuntos de interpretación de la MC son arenas movedizas que en general no suelen ser falsables. Sin embargo, Colbeck y Renner argumentan que los resultados experimentales podrían avalar sus resultados. Aunque en el caso de la libre elección admiten que la cosa sería más complicada, sostienen que aún así se podría falsar en algunos casos.

La luz se curva por sí misma

Cualquier estudiante de física sabe que la luz viaja en línea recta. Pero ahora, los investigadores han demostrado que la luz también puede viajar formando una curva, sin necesidad de ninguna influencia externa. El efecto es en realidad una ilusión óptica, aunque los investigadores dicen que podría tener usos prácticos, tales como mover objetos a distancia usando la luz. Es un fenómeno conocido que la luz se curva. Cuando un rayo de luz pasa del aire al agua, por ejemplo, da un brusco giro: por eso es por lo que un palo introducido en un estanque parece inclinarse hacia la superficie. En el espacio, los rayos de luz que pasan cerca de objetos muy masivos, tales como estrellas, se ven como si viajasen a lo largo de curvas. En cada ejemplo, la curvatura de la luz tiene una causa externa: para el agua es el cambio en una propiedad óptica conocida como índice de refracción, y para las estrellas, es la naturaleza curvada de la gravedad.

 Que la luz se curve por sí misma, sin embargo, es algo inaudito - o casi. A finales de la década de 1970, los físicos Michael Berry de la Universidad de Bristol en el Reino Unido, y Nandor Balazs de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, descubrieron que una forma de onda conocida como Airy, una onda que describe cómo se mueven las partículas cuánticas, puede a veces curvarse una pequeña cantidad. El trabajo fue ignorado en gran parte hasta 2007, cuando Demetri Christodoulides y otros físicos de la Universidad de Florida Central en Orlando generaron versiones ópticas de las ondas Airy manipulando luz láser, y encontraron que el haz resultante se curvaba ligeramente cuando cruzaba un detector.
¿Cómo funciona esta autocurvatura? La luz es una maraña de ondas cuyos picos y valles pueden interferir entre sí. Por ejemplo, un pico que pase a través de un valle cancela a ambos para crear oscuridad; un pico que pasa por otro pico "interfiere de manera constructiva" para crear un punto brillante. Ahora, imagina la luz emitida desde una banda ancha - por ejemplo un tubo flourescente o, mejor aún, un láser cuya emisión ha sido expandida. Controlando cuidadosamente la posición inicial de los picos de las ondas - la fase de las mismas - en cada paso a lo largo de la banda es posible hacer que la luz que viaja hacia fuera interfiera constructivamente en sólo los puntos de una curva, y se cancele en el resto. La función Airy, que contiene oscilaciones rápidas pero que se apagan pronto, demostró ser una forma fácil de definir esas fases iniciales - excepto que la luz resultante estaría curvada sólo unos 8º.
Ahora, los físicos Mordechai Segev y sus colegas del Instituto de Tecnología Technion en Haifa, Israel, dicen tener la receta para hacer que la luz se curve por sí misma a lo largo de cualquier ángulo, incluso formando un círculo completo. El problema con la función Airy, dice Segev, es que la forma de sus oscilaciones especifica las fases correctas sólo en pequeños ángulos; para ángulos mucho mayores de 8°, la forma se convierte en una aproximación basta. Por lo que su grupo se centró en las ecuaciones de Maxwell, el cuarteto de fórmulas matemáticas de 150 años de antigüedad que describen la propagación de ondas electromagnéticas como la luz. Tras un laborioso trabajo matemático y de intuición, los investigadores encontraron soluciones a las ecuaciones de Maxwell que describen con precisión las fases iniciales requeridas para una auténtica autocurvatura de la luz, como describen esta semana en la revista Physical Review Letters.
"La función Airy es una solución para un caso aproximado", dice Segev. "Si quieres [curvar] a lo largo de ángulos mayores, [la solución] debe tener la forma apropiada. Se pensaba que no había una forma adecuada, que la solución siempre sería una aproximación - pero hemos demostrado que esto era incorrecto".
El trabajo del grupo de Segev podría haberse mantenido en el marco teórico, pero por coincidencia, un grupo liderado por John Dudley en el Universidad Franche-Comté en Besançon, Francia, ha estado realizando sus propios experimentos de autocurvatura de la luz. Modificando la función Airy ya existente, el grupo de Dudley logró encontrar valores de fase inicial que encajan con la solución del grupo israelí, incluso aunque no eran conscientes de ella. Usando un dispositivo conocido como modulador espacial de luz para pre-ajustar la fase de un haz expandido de luz láser, el grupo francés encontró que la luz resultante se autocurvaba hasta 60º, como informarán a finales de este mes en Optics Letters.
La autocurvatura de la luz podría dar un nuevo giro a las pinzas ópticas. Estos dispositivos, que se desarrollaron en la década de 1980, usan la fuerza creada por una intensa luz láser para mantener microscópicos objetos en mitad del aire. Segev cree que reemplazando los haces láser por luz autocurvada, los investigadores podrían forzar a los objetos atrapados a viajar a lo largo de complejos caminos sin necesidad de tocarlos. Haciendo esto, la luz curvada podría mover selectivamente células fuera de una muestra biológica - algo de gran provecho para los bioingenieros.
El físico Pavel Polynkin de la Universidad de Arizona en Tucson sugiere otra aplicación: abrir un agujero curvado a través de un material, lo cual sería imposible con un láser normal. Pero, a pesar de tales aplicaciones, señala que la propia luz realmente no se curva, sólo parece hacerlo por la forma en que se alinean los puntos brillantes de interferencia. De hecho, dice, la mayor parte de la energía de la luz no va hacia la curva brillante, sino hacia las áreas oscuras que han sido canceladas. "No estoy disputando la relevancia científica del artículo", añade. "Informa de una importante contribución… [Pero] no se ha violado ninguna ley fundamental de la física por el momento - y eso es algo bueno, en mi opinión".

¿Es posible observar entrelazamiento cuántico a simple vista?

in duda la Mecánica Cuántica (MC) ha tenido mucho éxito en la Física y es capaz de predecir, por ejemplo, la longitud de onda de un fotón emitido desde el primer estado excitado hasta el estado fundamental por un átomo de hidrógeno. Las líneas espectrales de las estrellas, correspondientes a los distintos elementos presentes en su atmósfera, pueden ser predichas con exactitud. Pero esta parte de la MC es ya tan normal que casi no nos fascina. Lo que nos cuesta creer son los efectos más extraños que predice. Uno de ellos es el entrelazamiento cuántico, mecanismo mediante cual una o más partículas pueden ponerse de acuerdo para tener el mismo estado cuántico. Lo más fascinante es que el colapso de la función de onda de uno de ellas al efectuar una medida produce el colapso de la otra.

^P

artículas entrelazadas son, precisamente, las que se usan en experimentos tipo EPR y en los prototipos muy simples de computadores cuánticos con los que se está experimentando ahora. La última plusmarca de computadores cuánticos consiste en un sistema capaz de mantener 14 qubits.

Pero estos efectos extraños no suelen manifestarse en el mundo macroscópico, sino en el microscópico de partículas y átomos.

En los últimos años hemos asistido al empuje de los límites cuánticos hasta que ese tipo de fenómenos se han manifestado en el mundo mesoscópico. Así por ejemplo, recientemente se creo un tambor de Schördinger en una superposición de estados vibracionales que "casi" se podría ver a simple vista.

El ser humano necesita ver para creer, aunque en ciencia se ve últimamente más indirectamente a través de detectores que directamente con lo ojos. Nicolas Gisin, de la Universidad de Ginebra, se puso a pensar cómo diseñar un experimento en el que se pudiera ver entrelazamiento cuántico directamente con los ojos. Se inspiró en un experimento de Fabio Sciarrino, de la Universidad de la Sapienza en Roma, realizado en 2008. En los experimento al uso sobre entrelazamiento se usan unos pocos fotones que obviamente el ojo humano no puede ver. Pero en el experimento de Sciarrino conseguían amplificar un fotón para crear un chaparrón de miles de fotones con el mismo estado cuántico. Y el ojo humano sí puede ver miles de fotones.

Así que Gisin y sus colaboradores usaron esa idea para montar un experimento en el que se entrelazaban dos fotones, uno lo enviaban a un detector habitual y el otro se amplificaba para producir un chaparrón de fotones con el mismo estado de polarización que era detectado por un ojo humano.

El haz de luz producido por el amplificador podía aparecer en dos posiciones y esto delataba el estado de polarización. Esta observación básicamente sería una medida que colapsaría el estado a una de esas posiciones y determinaría el estado del fotón que había sido enviado al detector. Estos investigadores se sentaron en la oscuridad del laboratorio para supuestamente observar a simple vista los efectos del entrelazamiento cuántico. Los resultados obtenidos estaban de acuerdo con los resultados de Sciarrino y con los predichos por la MC.

Pero hay una pega. Lo que estos investigadores vieron no fueron micro-macro entrelazamientos. Asumieron que el test de Bell no sería válido para objetos macroscópicos así que deliberadamente diseñaron el experimento para que el estado del segundo fotón fuera medido antes de ser amplificado, el decir, el colapso se efectuaba antes de ver nada con los ojos y ese colapso rompía el entrelazamiento antes de dicho acto de observación con los ojos.

La razón es que no hay detector, humano o electrónico, perfecto, y algunos fotones se pierden durante el experimento. Esto no afecta al test de Bell si hay dos fotones, pero si entran en juego muchos más este efecto distorsiona grandemente los resultados. Independientemente de si el grupo de Sciarrino creó o no micro-macro entrelazamientos en 2008, el test de Bell daría resultados positivos, indicativos la ausencia de entrelazamiento.

Sciarrino no se muestra sorprendido por los nuevos resultados y ya está trabajando en una manera de verificar la existencia de micro-macro entrelazamientos sin recurrir al test de Bell. Experimentos que no podrán hacer uso del ojo humano de manera directa so pena de que el láser queme la retina.

Aunque el grupo de Gisin no ha visto micro-macro entrelazamientos, los resultados procedentes de los detectores confirman una vez más la existencia de micro-micro entrelazamiento.

Parece ser que cuesta ver gatos de Schördinger macroscópicos, quizás haya que esperar más o quizás no sea posible. El tiempo lo dirá.

La superconductividad puede inducir magnetismo

Andrea Bianchi, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Montreal, y sus colegas demuestran que, contrariamente a la creencia anterior, la superconductividad puede inducir magnetismo, lo cual ha puesto de manifiesto la existencia de un nuevo enigma cuántico.

^U

sando una fuente suiza de neutrones, la SINQ, el grupo internacional de la investigación dirigido por Michel Kenzelmann, científico del Instituto Paul Scherrer, y profesor del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich, ha descubierto un superconductor que posee dos fascinantes propiedades cuánticas.

La primera es que el material en estado de superconductividad muestra orden magnético, lo que resulta una sorpresa dado que la superconductividad y el magnetismo no pueden coexistir fácilmente en el mismo material.

La segunda propiedad inesperada es que, según indican los experimentos del SINQ, los pares de electrones que forman el estado de superconductividad tienen un momento que no es cero, contrariamente a lo que se observa en todos los otros superconductores conocidos. Tal estado se predijo de manera teórica hace años pero nunca había sido detectado microscópicamente.

Este descubrimiento es extraordinario, dado que el orden magnético existe exclusivamente cuando la muestra está en estado superconductor. En este caso único, el magnetismo y la superconductividad no compiten entre sí, sino que la superconductividad genera el orden magnético.

Los investigadores esperan que sus resultados permitan el desarrollo de nuevas aplicaciones tecnológicas en el futuro cercano.

El equipo de investigación también hizo un segundo descubrimiento: Los pares de electrones en el estado de superconducción en un campo magnético fuerte tienen un momento finito. En todos los otros superconductores conocidos, los pares forman un estado con momento cero. Esto fue predicho de manera teórica hace unas décadas. Ahora, la observación de este estado en el experimento es la primera prueba experimental de este nuevo estado de la materia

Investigadores captan las primeras imágenes de átomos moviéndose en una molécula

Usando una nueva cámara ultrarrápida, los investigadores han registrado la primera imagen en tiempo real de dos átomos vibrando dentro de una molécula. La clave del experimento, que aparece en el ejemplar de esta semana de la revista Nature, es el uso de los investigadores de la energía de los propios electrones de una molécula como una especie de "bombilla" para iluminar el movimiento molecular. El equipo usó pulsos láser ultrarrápidos para sacar a un electrón fuera de su órbita natural dentro de una molécula. El electrón cae entonces de nuevo hacia la molécula de la que se dispersó, de forma análoga a la forma en la que un destello de luz se dispersa alrededor de un objeto, o una onda de agua se extiende por un estanque.

^"El investigador principal Louis DiMauro de la Universidad Estatal de Ohio dijo que la hazaña marca un primer paso adelante no sólo en la observación de reacciones químicas, sino también en controlarlas a escala atómica.

A través de estos experimentos, nos hemos dado cuenta de que podemos controlar la trayectoria cuántica del electrón cuando vuelve hacia la molécula, ajustando el láser que lo lanza", dice DiMauro, profesor de física en la Universidad Estatal de Ohio. "El siguiente paso será ver si podemos dirigir al electrón justo de la forma adecuada para controlar realmente la reacción química".

Una técnica estándar para tomar imágenes de un objeto implica lanzar contra el objeto un haz de electrones - bombardearlo con millones de electrones por segundo. La nueva aproximación cuántica de un electrón usada por los investigadores les permite captar el rápido movimiento molecular, basándose en los desarrollos teóricos de los coautores del artículo de la Universidad Estatal de Kansas.

Una técnica llamada difracción electrónica inducida por láser (LIED) se usa comúnmente en la ciencia de superficie para estudiar materiales sólidos. Aquí, los investigadores la usaron para estudiar el movimiento de átomos en una molécula aislada.

Las moléculas que eligieron para el estudio era simples: nitrógeno, o N2, y oxígeno, u O2. N2 y O2 son gases atmosféricos comunes, y los científicos ya conocen cada detalle de su estructura, por lo que estas moléculas tan básicas son un buen caso de prueba para el método LIED.

En cada caso, los investigadores golpeaban la molécula con pulsos de luz láser de 50 femtosegundos, o una milbillonésima de segundo. Fueron capaces de sacar un único electrón fuera de la capa externa de la molécula y detectar la señal dispersada del mismo cuando volvía a colisionar con la molécula.

DiMauro y el investigador post-doctoral de la Universidad Estatal de Ohio, Cosmin Blaga, asemejan la señal del electrón dispersado al patrón de difracción que forma la luz cuando pasa a través de rendijas. Dando sólo el patrón de difracción, los científicos pueden reconstruir el tamaño y forma de las rendijas. En este caso, dado el patrón de difracción de los electrones, los físicos reconstruyen la forma y tamaño de la molécula - es decir, las posiciones de los núcleos que constituyen los átomos.

La clave, explica Blaga, es que durante el breve periodo de tiempo entre que el electrón es sacado de la molécula y su colisión durante el retorno, los átomos de las moléculas se han movido. El método LIED puede captar este movimiento, "de forma similar a crear una película del mundo cuántico", añade.

Más allá de su potencial para controlar las reacciones químicas, la técnica ofrece una nueva herramienta para el estudio de la estructura y dinámica de la materia, comenta. "Finalmente, queríamos comprender en realidad cómo tienen lugar las reacciones químicas. Por tanto, a largo plazo, habría aplicaciones en ciencias de los materiales e incluso en fabricación química".

"Podría usarse para estudiar átomos individuales", añade DiMauro, "pero el mayor impacto para la ciencia llegará cuando podamos estudiar las reacciones entre moléculas más complejas. Observar dos átomos - queda un largo camino hasta poder estudiar una molécula más interesante, como una proteína".

Proponen que la abundancia de litio observada podría deberse a la presencia de condensados de axiones durante el Big Bang

Una de las pruebas que indican la existencia del Big Bang está relacionada con la nucleosíntesis primordial. Justo al principio, cuando el Universo era caliente y denso los protones y neutrones se fusionaban para producir elementos más pesados que el hidrógeno. De este modo se produjo helio en cantidad apreciable o deuterio, así como elementos muy ligeros en pequeñas proporciones, como el litio.

^S

egún el Universo se expandía y enfriaba y la densidad disminuía estas reacciones nucleares dejaron de darse. Cuando se enfrió aún más, los electrones se asociaron a los núcleos que había para formar átomos neutros y el Universo se hizo transparente por primera vez. A esta etapa se la llama recombinación.

La cantidad de hidrógeno, deuterio y helio que hay en el Universo se pueden medir y sus proporciones encajan con las predicciones del modelo de Big Bang. Conforme el Universo envejezca las estrellas habrán destruido casi todo el deuterio y producido suficiente helio como para esta prueba de la existencia del Big Bang desaparezca.

Pero en todo esto hay una pequeña excepción: el problema del litio. Al parecer la cantidad de litio 7 (el isótopo más común de este elemento) que hay en el Universo es menor de la que debería haber. Este problema ha intrigado a los científicos durante más de una década. Ahora parece que algunos han encontrado una nueva explicación: la presencia de axiones en el Universo primitivo habría cambiado la proporción de litio 7. Esta explicación también supone otra solución al problema de la materia oscura, pues ésta estaría constituida por axiones, partículas que, de momento, son sólo hipotéticas.

A partir de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas los cosmólogos pueden inferir la proporción entre bariones (protones, neutrones, etc) y fotones. Es precisamente la razón entre bariones y fotones la que permite predecir la abundancia de elementos ligeros primordiales creados durante el Big Bang. Pero para el litio 7 la predicción arroja una abundancia tres veces superior a la cantidad real observada.

Aunque se han propuesto varias teorías para explicar esta contradicción, ninguna parece ser plenamente satisfactoria. Ahora, Pierre Sikivie, de la Universida de Florida, y sus colaboradores proponen una nueva explicación. Según esta nueva teoría la presencia de axiones habría alterado la producción de litio 7.

Los axiones son unas partículas hipotéticas que fueron propuestas en los setenta para resolver ciertos problemas con la simetría CP. En concreto se propusieron como parte de una teoría que explicase por qué la fuerza nuclear fuerte, a diferencia de otras, no cambia cuando en las reacciones se sustituyen las partículas por sus antipartículas y se observan especularmente.

Todavía los axiones (si es que existen) no han sido detectados porque interaccionarían débilmente con la materia ordinaria. Desde hace un tiempo se les ha propuesto como constituyentes de la famosa materia oscura, pero no son los candidatos favoritos.

Estos investigadores han señalado un punto que hasta ahora se había pasado por alto: los axiones podrían formar condensados de Bose-Einstein. Estos condensados se producen cuando un grupo de partículas de spin entero (bosones) caen en el estado de mínima energía. A diferencia de fermiones (partículas de spin semientero) pueden todas ocupar el mismo estado cuántico, sólo hace falta que la temperatura sea los suficientemente baja.

La temperatura de transición a la que se forma el condensado depende de la densidad, de tal modo que a altas densidades la temperatura puede ser relativamente alta. Según estos investigadores los axiones podrían formar condensados incluso a las altas temperaturas posteriores al Big Bang, cuando se daba la nucleosíntesis primordial.

Los condensados de axiones afectarían las predicciones sobre la nucleosíntesis. Los fotones transferirían calor a los condensados haciendo que disminuyera el número de fotones y, por tanto, cambiaría la razón entre bariones y fotones, dando a los cosmólogos una falsa impresión sobre la cantidad de litio que se debería haber creado.

La teoría no es definitiva y requiere (además de los axiones en sí) solventar problemas relativos a la producción de deuterio y la cantidad de neutrinos efectivos.

Quizás, cuando los del equipo de la misión Planck tengan a bien y liberen los datos que tienen, se pueda medir mejor la cantidad de neutrinos entre otras cosas. Se especula que esto podría suceder en 2013. También podría suceder que, si los axiones existen, el experimento ADMX mejorado los pudiera detectar o incluso puede que se detecten en el LHC.

Se predice la existencia de cristales temporales

Si existen cristales en dimensiones espaciales, entonces deberían existir en la dimensión del tiempo también, dice un físico ganador del Nobel. Una de las ideas más potentes de la física moderna es que el universo está gobernado por la simetría. Ésta es la idea de que ciertas propiedades de un sistema no cambian cuando pasa por una transformación de algún tipo. Por ejemplo, si un sistema se comporta de la misma manera sin importar su orientación o movimiento en el espacio, debe obedecer la ley de conservación del momento.

^TSi un sistema produce el mismo resultado sin importar cuándo tiene lugar, debe obedecer la ley de conservación de la energía.

enemos que agradecer a la matemática alemana Emmy Noether, esta poderosa forma de pensar. De acuerdo con su famoso teorema, cada simetría es equivalente a una ley de conservación. Y las leyes de la física son, básicamente, el resultado de la simetría.

Igualmente potente es la idea de la ruptura de simetría. Cuando el universo muestra menos simetría de la que describen las ecuaciones, los físicos dicen que se ha roto la simetría.

Un conocido ejemplo es la solución de baja energía asociada a la precipitación de un sólido a partir de una solución - la formación de cristales, que tienen una periodicidad espacial. En este caso se rompe la simetría espacial.

Los cristales espaciales están bien estudiados y se comprenden bien. Pero generan una interesante pregunta: ¿permite el universo la formación de periodicidades similares en el tiempo?

Hoy, Frank Wilczek del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y Al Shapere de la Universidad de Kentucky, debaten esta pregunta y concluyen que la simetría temporal parece igual de rompible que la espacial a bajas energías.

Este proceso debería llevar a periodicidades que ellos llaman cristales temporales. Es más, los cristales temporales deberían existir, probablemente justo delante de nuestras narices.

Vamos a explorar esta idea con algo más de detalle. Primero, ¿qué significa que se rompa la simetría en un sistema? Wilczek y Shapere creen que es algo así. Imaginan un sistema en su estado de energía más bajo que está descrito por completo, independientemente del tiempo.

Debido a que está en su menor estado de energía, este sistema debería estar congelado en el espacio. Por tanto, si el sistema se mueve, debe romper la simetría temporal. Ésto es equivalente a la idea de que el estado de menor energía tiene un valor mínimo en una curva sobre el espacio, en lugar de un punto aislado.

Ésto en realidad no es tan extraordinario. Wilczek señala que un superconductor puede transportar una corriente - el movimiento masivo de electrones - incluso en su estado de energía más bajo.

El resto, básicamente, es matemáticas. De la misma forma que las ecuaciones de la física permiten la formación espontánea de cristales espaciales, periodicidades en el espacio, también deben permitir la formación de periodicidades en el tiempo, o cristales temporales.

En particular, Wilczek considera la ruptura espontánea de la simetría en un sistema mecánico cuántico cerrado. Aquí es donde las matemáticas se hacen un poco extrañas. La mecánica cuántica obliga a los físicos a pensar en valores imaginarios para el tiempo o iTiempo, como lo llama Wilczek.

Demuestra que deberían surgir las mismas periodicidades en el iTiempo y que deberían manifestarse como un comportamiento periódico de distintos tipos de propiedades termodinámicas.

Ésto tiene un número de consecuencias importantes. Primero está la posibilidad de que este proceso proporcione un mecanismo para medir el tiempo, dado que el comportamiento periódico es como un péndulo. "La formación espontánea de un cristal temporal representa el surgimiento espontáneo de un reloj", dice Wilczek.

Otra posibilidad es que puedan aprovecharse los cristales temporales para realizar cálculos usando energía cero. Como dice Wilczek: "es interesante especular que un…sistema mecánico cuántico cuyos estados pudiesen interpretarse como colecciones de qubits, podrían ajustarse para atravesar un paisaje programado de estados estructurados en un espacio de Hilbert a lo largo del tiempo".

En conjunto es un argumento simple. Pero la simplicidad, a menudo, es aparentemente potente. Por supuesto, habrá debate sobre algunos de los problemas que se generan. Uno de ellos es que el movimiento que rompe la simetría temporal parece un tanto desconcertante. Wilczek y Shapere lo reconocen: "Hablando con franqueza, lo que estamos buscando se parece mucho al movimiento perpetuo".

Esto necesitará alguna defensa. Pero si alguien tiene el pedigrí para proponer estas ideas, es Wilczek, que es ganador del Premio Nobel de Física.

Un nuevo tipo de materiales aislantes en volumen pero conductores en superficie

Un grupo de investigadores de cinco países ha descubierto un nuevo tipo de aislante topológico -materiales que, siendo aislantes en su volumen, son conductores en su superficie- que presenta unas propiedades muy prometedoras a nivel tecnológico.

^L

os aislantes topológicos, observados por primera vez en 2007, son materiales que, aunque son aislantes en su interior o su volumen, se comportan como metales conductores en la superficie. Sus propiedades únicas se podrían utilizar para nuevas aplicaciones en espintrónica y en computación cuántica. Ahora, físicos del Donostia International Physics Center (DIPC) y del Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto CSIC-UPV/EHU), junto a investigadores de otros países, ha descubierto un nuevo tipo de estos aislantes. Los resultados se han publicado recientemente en la revistaNature Communications.

El carácter metálico superficial de estos materiales aislantes en volumen es debido a un particular estado electrónico confinado en la superficie. Sin embargo, para poder rentabilizar este singular fenómeno, a menudo es necesario poder sintonizar adecuadamente la energía de ese estado de conducción.

Los investigadores ha demostrado que la mayoría de los compuestos ternarios ordenados (complejos de germanio, estaño, plomo, bismuto, antimonio, teluro y selenio) son aislantes topológicos tridimensionales reales que muestran propiedades distintas de las observadas en otros compuestos binarios. En particular, su estado metálico se encuentra a 1-2 nm de profundidad, lo que hace sea más estable y esté más protegido ante cualquier alteración de la superficie, mientras que las características de su espín permiten modificaciones magnéticas del material.

La existencia de este tipo de aislantes topológicos exóticos fue primeramente predicha a nivel teórico por científicos de Tomsk (Rusia), Halle (Alemania) y de Donostia (España). Siguiendo esta predicción, químicos de Baku (Azerbaiyán) crearon una muestra de cristal simple de uno de esos compuestos. La muestra fue después estudiada por investigadores de Zúrich (Suiza) y Hamburgo (Alemania), confirmándose todas las predicciones teóricas.

El descubrimiento ofrece una vía de avance en relación al diseño de las propiedades electrónicas y de espín (es decir, propiedades magnéticas) utilizando diferentes compuestos, y confirma la posibilidad de crear aislantes topológicos con estados de conducción profundos, auto-protegidos, y por tanto, estados de conducción tecnológicamente relevantes.

La frustración en Física

Los sistemas "frustrados", aquellos que en el campo de la física no consiguen un estado de mínima energía en todas sus interacciones, son de gran interés para solucionar problemas de redes neuronales, plegamiento de proteínas, estructuras sociales y magnetismo, pero hasta ahora resultaban difíciles de modelar. Ahora, un equipo de investigadores acaba de crear un modelo de mecánica cuántica para estos sistemas que se puede escalar a otros mayores.

^P

ara la mayoría de las personas, la frustración es un estado a evitar. Pero para los científicos que estudian determinados conjuntos "frustrados" de elementos que interactúan -es decir, aquellos que no consiguen adaptarse a un estado que minimice cada interacción-, puede ser la clave para entender una multitud de extraños fenómenos que afectan a sistemas que van desde las redes neuronales y las estructuras sociales hasta el plegamiento de proteínas y el magnetismo.

Habitualmente la frustración ha resultado muy difícil de estudiar, dado que hasta los sistemas con relativamente pocos componentes presentan interacciones tan complejas que no pueden modelarse de forma acertada ni en los mejores ordenadores convencionales. Ahora, un equipo de investigadores ha simulado la frustración en el sistema cuántico más pequeño posible mediante un dispositivo experimental controlable con precisión, y se puede extender a sistemas mucho más grandes.

Los científicos además han demostrado por primera vez cómo se relaciona la frustración con un extraño pero enormemente útil fenómeno de la mecánica cuántica denominado "entrelazamiento", según publican esta semana en la revista Nature.

"La frustración tiene lugar cuando uno o más elementos de un sistema se accionan por fuerzas que compiten de tal forma que resulta imposible alcanzar un estado fundamental, o de mínima energía", declara el autor principal del estudio, Chris Monroe, del Joint Quantum Institute (JQI, en EEUU). "El ejemplo más sencillo es un sistema de tres objetos, como el de los átomos, en el que cada uno tiene un espín (el análogo de los polos magnéticos norte y sur que utiliza la mecánica cuántica) que únicamente puede tomar uno de dos valores, arriba o abajo, y ninguno intermedio".

El tercero en discordia

Para cualquier pareja de estos objetos, el estado de mínima energía tiene lugar cuando el espín de cada objeto es el contrario al de su vecino. Así, si hay solo dos objetos, cada uno con un espín opuesto, el sistema tiende naturalmente a permanecer en este estado. Pero si se añade un tercer elemento, las cosas se ponen interesantes. Este tercer objeto tiene dos vecinos, cada uno con un espín distinto. No puede alinearse frente a los dos, así que queda atrapado entre dos alternativas, cada una de las cuales requiere la misma cantidad de energía y resulta igual de insatisfactoria. Ese es el estado al que se llama de "frustración".

Los investigadores estudian con especial interés ese fenómeno, que puede ser de gran ayuda para comprender la forma en que los objetos se constituyen a sí mismos en materiales, como los cristales que se usan en electrónica, o las reglas que gobiernan el modo en que las complicadas y extensas moléculas de proteínas se enrollan hasta llegar a sus formas distintivas.

Quedan abiertas importantes cuestiones: "¿Cómo evolucionan estos sistemas en el tiempo?, Qué sucedería si los objetos fueran sistemas cuánticos?, y Pueden las interacciones entre las distintas partes manipularse si se cambian determinadas variables?".

El equipo de Monroe se dispuso a investigar esas preguntas mediante una versión totalmente controlable de la red magnética frustrada más pequeña posible, compuesta de tres espines. Atraparon tres átomos de iterbio (un elemento metálico algo más ligero que el oro) en una cámara de vacío y los alinearon uno al lado del otro como las cuentas de un collar.

Cualquier sistema cuántico de tres objetos como este, en el que cada objeto sólo puede estar en uno de dos estados, tendrá ocho variaciones posibles. Por ejemplo, tres monedas que se lancen simultáneamente pueden salir todas cara, todas cruz o en seis combinaciones intermedias. El objetivo de los investigadores del JQI era averiguar qué conjunto de condiciones producían esas ocho combinaciones disponibles.

El uso de rayos láser

Los investigadores lo lograron apuntando dos rayos láser (desplazándose en ángulo recto el uno del otro), que se cruzaban en el punto en el que impactaban con los átomos. Uno de los láseres contaba con una sola frecuencia, y el otro tenía dos frecuencias adicionales superpuestas en el haz portador del láser. Allí donde se cruzaban los láseres, las diversas frecuencias se cancelaban y reforzaban unas a otras de forma alternativa, lo que creó una secuencia de múltiples "notas rítmicas".

Estas notas rítmicas tuvieron dos efectos sobre los átomos, efectos que ocurrieron simultáneamente. Uno produjo el equivalente a un campo magnético, lo que invirtió el espín de los átomos; es decir, cambió el polo norte por el sur. Las otras notas rítmicas, en combinación, dieron a cada átomo un movimiento "de patada", cuyo efecto era diferente en función del estado de espín de cada átomo. Dado que cada átomo influye en el espín de sus vecinos según su proximidad, las "patadas" aportaron un nuevo juego de controles al sistema.

Mediante un cuidadoso ajuste de las fuerzas relativas de los rayos láser y de los intervalos en los que se aplicaron, los investigadores averiguaron cómo producir cualquier secuencia particular de espines.

"Gracias a ello -explica Monroe-, controlamos con gran precisión todos los aspectos de este sistema de interacción de tres espines magnéticos. Podemos hacer que sean ferromagnéticos (queriendo alinear sus polos "norte" del mismo modo) o antiferromagnéticos (queriendo alinear en direcciones contrarias), y tenemos control de las fuerzas relativas de las tres interacciones. Lo más emocionante es que podemos escalar este sistema a muchos más espines, tal vez cien o más, usando prácticamente el mismo aparato. Mediante el control de estas interacciones magnéticas con solo veinticinco espines o así podemos crear estados que ningún ordenador convencional es capaz de modelar. Lo que tenemos es un tipo restringido de ordenador cuántico denominado "simulador cuántico", que fue propuesto por primera vez por Richard Feynman a comienzos de la década de los 80".

Frustración y entrelazamiento

Además, el equipo mostró por primera vez cómo se relaciona la frustración con un fenómeno de la mecánica cuántica llamado «entrelazamiento», en el que los estados de dos o más objetos se vuelven tan inextricablemente interconectados que ninguno de ellos puede describirse por separado. Tanto es así que incluso cuando dos objetos "entrelazados" distan entre sí millones de kilómetros, en cuanto se cuantifica el estado de uno, el del otro se conoce al instante.

Esta situación es tan improbable en el modo en que suceden las cosas según la física clásica, que algunos de los precursores de la mecánica cuántica, con la mención especial de Albert Einstein, dudaron de que fuera cierta. En 1935, escribió con dos colegas un célebre artículo en una revista en el que sostenían que el concepto de entrelazamiento era erróneo.

Pero tras décadas de pruebas experimentales se ha demostrado su existencia en objetos tales como pares de fotones o pares de átomos. De hecho, la generación y caracterización de entrelazamientos entre dos objetos son, hoy en día, procedimientos básicos en la ciencia cuántica. No obstante, el entrelazamiento entre tres o más objetos se ha estudiado en menor medida, y solo se comprende parcialmente.

La frustración, según aseveran los investigadores del JQI, proporciona una vía hacia el entrelazamiento de múltiples objetos. Dado que los sistemas frustrados no tienen un único estado de energía mínima, sus componentes adoptan una variedad de formas, cada una de las cuales está en el mismo nivel de energía.

La teoría cuántica predice que cuando los objetos de un sistema existen en una superposición de dichas formas, abarcando múltiples estados de forma simultánea, pasan a entrelazarse. Mediante una cuidadosa medición de la distribución de los distintos estados de los espines de iones, los científicos han logrado mostrar el vínculo entre la frustración y el entrelazamiento.

Consecuencias prácticas

Sus resultados son significativos, sobre todo para la ciencia básica, pero puede que también tengan consecuencias prácticas. Si llega a hacerse realidad, es casi seguro que un ordenador cuántico recurrirá al entrelazamiento para crear y transferir conexiones entre unidades de información durante el procesamiento de datos.

"El entrelazamiento es un concepto que subyace a las más extrañas características de la mecánica cuántica -dice Monroe-, es fácil encontrarse con ejemplos sencillos de entrelazamiento, como, por ejemplo, entre dos espines que interactúan". Esto es, en esencia, lo que hizo Einstein en 1935 cuando trató de mostrar que la física cuántica no podía ser cierta por puro extraña. Pero el entrelazamiento entre un montón de partículas es un concepto turbio: ni siquiera hay una única manera de cuantificarlo en sistemas grandes.

"Cuando hay gran cantidad de espines, como en un material macroscópico magnético, hay estados muy extraños donde los espines forman 'dominios'. E incluso a temperatura cero puede darse un elevado grado de aleatoriedad (entropía) en la alineación de estos espines. Esto se relaciona con el hecho de que los espines pueden frustrarse. Y con tantos estados intermedios, existen muchas posibles configuraciones de giro. En nuestro experimento, se establece una clara conexión entre la frustración y cómo conduce a un grado extra de entrelazamiento, en el mínimo sistema posible de tres espines".

Un estudio recuerda que que el vacío no está vacío como se piensa

El vacío, al menos en Física, no es la nada. Incluso un vacío vaciado de espacio-tiempo no es la nada, al menos para algunas ideas conceptuales de gravedad cuántica. Desde hace más o menos un siglo los físicos han estado colocando cosas en el vacío, a veces de manera afortuna y otras veces no tanto, como en el caso del éter. La ya muy conocida por los lectores de NeoFronteras energía oscura no es más que otro ente que hemos añadido al vacío y todavía está por ver si al final realmente existe.

^P

ero la Mecánica Cuántica predice efectos del vacío que se han medido experimentalmente. Uno de ellos es el efecto Casimir, que dice que dos placas metálicas separadas a muy poca distancia en el vacío deben de experimentar una fuerza de atracción. 

Este efecto se debe a que los modos de vibración de los fotones virtuales entre ellas están mucho más limitados que los modos de vibración de los fotones virtuales del exterior. Aquí "virtual" significa que mientras lo permita el principio de incertidumbre de Heisenberg pueden aparecer por un instante un par de partícula-antipartícula que luego desaparecen. El efecto Casimir se logró medir hace años y no hace falta decir que es muy débil. Sin embargo, este concepto es un viejo conocido de los antiguos marineros, cuando se dieron cuenta que si se colocaban dos veleros en paralelo muy juntos el oleaje hacía que al final chocaran entre sí. Hace tiempo se logró medir el efecto Casimir en el laboratorio.

Desde hace unos años se trabaja por conseguir el efecto Casimir repulsivo y para lograr esta meta se han propuesto diversas soluciones [1][2]. La idea es lograr una repulsión entre dos objetos que haga que uno levite sobre el otro gracias a estas fluctuaciones del vacío. Una de las soluciones que se propusieron en su día fue el uso de metamateriales que se insertarían en el espacio entre los dos objetos. Recordemos que los metamateriales son objetos nanoestructurados que tienen un índice de refracción negativo. No existen en la naturaleza y hay que fabricarlos artificialmente. Son los que están permitiendo, por ejemplo, crear las "capas de invisibilidad".

Hace poco Stanislav Maslovski y Mário Silveirinha de la Universidad de Coimbra (Portugal) propusieron conseguir el efecto Casimir inverso sin necesidad de introducir ningún metamaterial [4]. En lugar de ello habría un substrato sobre el que levitaría una placa metálica perforada. Pero la superficie de ese substrato estaría cubierta de bastoncitos de 40 nanometros de ancho de plata al modo de las velas sobre una tarta. Los agujeros de la placa estarían geométricamente dispuestos del mismo modo que los bastones. Con esta configuración la placa sería repelida por el substrato debido a las fluctuaciones del vacío.

Pero el efecto Casimir convencional se debe a las fluctuaciones de punto cero, justo al cero absoluto, pero el campo electromagnético experimenta un aumento de las fluctuaciones térmicas a más altas temperaturas. En 1955 Evgeny Lifshitz predijo que estas fluctuaciones térmicas debían de tener un efecto similar sobre la presión de radiación dando lugar a una fuerza de Casimir térmica.

Ahora Alexander Sushkov y sus colaboradores de la Universidad de Yale han conseguido medir el efecto Casimir térmico por primera vez [4][5]. Para ello en lugar de usar dos placas paralelas han usado una esfera y una placa recubiertas de oro. La elección se debe a que es mucho más fácil alinear una esfera y una placa que dos placas paralelas perfectamente alineadas. La placa estaba montada sobre un péndulo de torsión para así medir la fuerza hacia la esfera.
Una vez corregidos los efectos residuales de las fuerzas electrostáticas, estos investigadores encontraron que la fuerza de Casimir de punto cero dominaba a distancias menores de 3 micras, como era de esperar, pero en lugar de decaer con el cubo del inverso de la distancia decaía mucho más lentamente, concretamente con el cuadrado de la distancia. Este resultado concuerda con la existencia de una fuerza de Casimir térmica.
Ahora estos investigadores están repitiendo este experimento para otros materiales incluyendo semiconductores.

Pero el vacío tiene, al parece, otros efectos igualmente interesantes que se podrían comprobar experimentalmente. Uno esperaría que una esfera en rotación en el vacío nunca dejaría de hacerlo debido a la ausencia de rozamiento o fricción, pero según Alejandro Manjavacas y F. Javier García de Abajo, del Consejo Superior de Investigaciones Científica (España), la esfera terminaría deteniéndose debido a los efectos del vacío cuántico [6]. Lo más interesante es que el efecto podría darse en los granos interestelares y que también podría ser detectable en el laboratorio.
Los fotones virtuales del vacío interaccionarían con el cuerpo en rotación de distinta manera dependiendo del sentido de giro y como resultado de esta interacción la velocidad de rotación disminuiría gradualmente. La energía perdida sería emitida como fotones reales que podrían ser detectables.

La intensidad del efecto depende del tamaño del objeto y su naturaleza. Materiales metálicos como el oro, que evitan la absorción de fotones, experimentarían un efecto nulo o casi nulo. Cuerpos en rotación masivos y grandes (con gran momento angular) tampoco experimentaría el efecto de manera apreciable. La temperatura también tendría su efecto y mayor temperatura mayor sería la fricción con el vacío.
Las partículas pequeñas y baja densidad, como los granos interestelares, sí notaría el efecto de manera rápida. A temperatura ambiente un típico grano interestelar de grafito de 100 nanometros necesitaría unos 10 años para pararse por fricción con el vacío, que serían sólo 90 días a 700 grados centígrados, pero necesitaría 2,7 millones de años en el frío espacio interestelar.
Aunque los requerimientos para realizar un experimento de laboratorio que mida este efecto son muy altos es de esperar que un experimento de este tipo se pueda realizar en un futuro.
Y es que el vacío no es la nada y tiene su influencia sobre el mundo material. Seguro que nos depara más sorpresas en el futuro.

El nácar, belleza clásica y notable resistencia

Pupa Gilbert, física en la Universidad de Wisconsin-Madison, junto con sus colegas del departamento de física y de la Escuela de Medicina Veterinaria de esta universidad, los del Instituto para la Física de los Materiales Complejos en Suiza, y los del Centro de Radiación Sincrotrón dependiente también de la Universidad de Wisconsin-Madison, describen elementos inesperados de la arquitectura del nácar que pueden explicar su resistencia y ofrecer pistas sobre cómo se forma este notable material.

^C

onocer bien el mecanismo por el que se forma el nácar sería el primer paso para aprovechar su resistencia.

Como nuestros huesos y dientes, el nácar es un biomineral, una combinación de moléculas orgánicas elaboradas por los organismos vivientes, y componentes minerales que los organismos ingieren o toman de su medio ambiente. El mineral aragonita presente en el nácar está constituido por carbonato de calcio que los animales marinos forman a partir de elementos abundantes en el agua de mar.

Aunque sólo un 5 por ciento del nácar del abulón es orgánico, esta pequeña fracción de algún modo establece las bases para que los componentes minerales se ensamblen espontáneamente.

El 95 por ciento de la masa de este biomineral se autoensambla, mientras que sólo el 5 por ciento es formado activamente por el organismo. Sin duda, es un mecanismo muy eficiente.

Para profundizar en este proceso de autoensamblaje, Gilbert y Rebecca Metzler examinaron la estructura del nácar del abulón utilizando radiación sincrotrón.

Cuando examinaban una sección transversal de una concha de abulón, que previamente parecía una pared de ladrillos con capas de "mortero" orgánico separando los "ladrillos" cristalinos individuales, la luz polarizada de la radiación sincrotrón reveló que la pared del nácar no era uniforme.

La pared resultó contener grupos diferentes de ladrillos, con cada columna irregular de cristales presentando una composición idéntica, pero con diferente orientación de los cristales con respecto a las columnas vecinas.

Esta arquitectura en mosaico del nácar, con numerosos cristales no alineados, podría conducir a un material más fuerte, impidiendo la formación de planos de clivaje naturales. Con esta nueva información sobre la estructura del nácar y la ayuda de la física teórica Susan Coppersmith, de la Universidad de Wisconsin-Madison, el grupo se dirigió a modelar el proceso para intentar comprender cómo podría formarse tal estructura.

El grupo desarrolló un modelo que sugiere que el animal crea primero las capas del mortero orgánico, salpicadas con elementos de formación de núcleos de cristal, o semillas, en algunos sitios distribuidos al azar.