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Las instantáneas de la conmutación súper rápida en la electrónica cuántica podrían conducir a dispositivos informáticos más rápidos

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Un equipo de investigadores ha creado un nuevo método para capturar movimientos atómicos ultrarrápidos dentro de pequeños interruptores que controlan el flujo de corriente en circuitos electrónicos. En la foto, Aditya Sood (izquierda) y Aaron Lindenberg (derecha). Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Los científicos toman las primeras instantáneas de la conmutación ultrarrápida en un dispositivo electrónico cuántico

Descubren un estado de corta duración que podría conducir a dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

Los circuitos electrónicos que calculan y almacenan información contienen millones de pequeños interruptores que controlan el flujo de corriente eléctrica. Una mejor comprensión de cómo funcionan estos pequeños interruptores podría ayudar a los investigadores a superar los límites de la informática moderna.

Los científicos ahora han tomado las primeras instantáneas de los átomos que se mueven dentro de uno de estos interruptores cuando se enciende y apaga. Entre otras cosas, descubrieron un estado de corta duración en el conmutador que algún día podría explotarse para dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

El equipo de investigación del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en el Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, Hewlett Packard Labs, la Universidad de Penn State y la Universidad de Purdue describió su trabajo en un artículo publicado en La ciencia hoy (15 de julio de 2021).

“Esta investigación es un gran avance en tecnología y ciencia ultrarrápidas”, dice Xijie Wang, científico y colaborador de SLAC. «Esta es la primera vez que los investigadores han utilizado la difracción de electrones ultrarrápida, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en un material mediante la dispersión de un poderoso haz de electrones en una muestra, para observar un dispositivo electrónico mientras funciona».

Dispositivo electrónico cuántico de conmutación ultrarrápida

El equipo usó pulsos eléctricos, que se muestran aquí en azul, para encender y apagar sus interruptores personalizados varias veces. Calcularon estos pulsos eléctricos para que llegaran justo antes de los pulsos de electrones producidos por la fuente de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, que capturó los movimientos atómicos que ocurren dentro de estos interruptores cuando se encienden y apagan. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Captura el ciclo

Para este experimento, el equipo diseñó interruptores electrónicos en miniatura hechos a medida hechos de dióxido de vanadio, un material cuántico prototípico cuya capacidad para pasar de un estado aislante a un estado conductor de electricidad cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como un interruptor para cálculos futuros. El material también tiene aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro debido a su capacidad para crear impulsos electrónicos que imitan los impulsos neuronales desencadenados en el cerebro humano.

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Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre estados aislantes y conductores mientras tomaban instantáneas que mostraban cambios sutiles en la disposición de sus átomos en mil millonésimas de segundo. Estas instantáneas, tomadas con la cámara de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, se encadenaron para crear una película molecular de movimientos atómicos.


El investigador principal Aditya Sood analiza una nueva investigación que podría conducir a una mejor comprensión de cómo funcionan los interruptores diminutos dentro de los circuitos electrónicos. Crédito: Olivier Bonin / Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

«Esta cámara ultrarrápida puede realmente mirar dentro de un material y tomar instantáneas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso de excitación eléctrica», dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) en SLAC. y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford. «Al mismo tiempo, también mide cómo cambian las propiedades electrónicas de este material con el tiempo».

Con esta cámara, el equipo descubrió un nuevo estado intermedio dentro del material. Se crea cuando el material responde a un impulso eléctrico cambiando de un estado aislante a un estado conductor.

«Los estados aislantes y conductores tienen arreglos atómicos ligeramente diferentes, y generalmente se necesita energía para cambiar entre ellos», dijo Xiaozhe Shen, científico y colaborador de SLAC. «Pero cuando la transición tiene lugar a través de este estado intermedio, el cambio puede tener lugar sin ningún cambio en la disposición atómica».

Abre una ventana al movimiento atómico

Aunque el estado intermedio solo existe durante unas millonésimas de segundo, está estabilizado por defectos en el material.

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Como seguimiento de esta investigación, el equipo está estudiando cómo diseñar estos defectos en los materiales para hacer que este nuevo estado sea más estable y más duradero. Esto les permitirá fabricar dispositivos en los que la conmutación electrónica pueda ocurrir sin ningún movimiento atómico, lo que funcionaría más rápido y requeriría menos energía.

“Los resultados demuestran la solidez de la conmutación eléctrica durante millones de ciclos e identifican posibles límites a las velocidades de conmutación de dichos dispositivos”, dijo Shriram Ramanathan, asociado y profesor de Purdue. «La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurren durante las operaciones del dispositivo, lo cual es crucial para el diseño de modelos de circuitos en el futuro».

La investigación también ofrece una nueva forma de sintetizar materiales que no existen en condiciones naturales, lo que permite a los científicos observarlos en escalas de tiempo ultrarrápidas y luego potencialmente ajustar sus propiedades.

«Este método nos brinda una nueva forma de ver los dispositivos mientras funcionan, abriendo una ventana para ver cómo se mueven los átomos», dijo el autor principal e investigador de SIMES, Aditya Sood. “Es emocionante reunir ideas de los campos tradicionalmente distintos de la ingeniería eléctrica y la ciencia de alta velocidad. Nuestro enfoque permitirá la creación de dispositivos electrónicos de próxima generación capaces de satisfacer las crecientes necesidades mundiales de computación inteligente y con uso intensivo de datos.

MeV-UED es un instrumento de la instalación para usuarios de LCLS, operado por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió esta investigación.

SLAC es un laboratorio dinámico de múltiples programas que explora cómo funciona el universo a las escalas más grandes, más pequeñas y más rápidas e inventa herramientas poderosas utilizadas por científicos de todo el mundo. Con investigaciones que abarcan la física de partículas, la astrofísica y la cosmología, los materiales, la química, las ciencias biológicas y energéticas y la computación científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la ciencia.

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SLAC es administrado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y trabaja para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.

Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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La ISS puede ser más visible en el cielo nocturno durante todo mayo. He aquí cómo verlo

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La ISS puede ser más visible en el cielo nocturno durante todo mayo.  He aquí cómo verlo

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Si tiene la suerte de estar ubicado lejos de luces brillantes, tome un sillón largo o un sillón y póngase cómodo. Una vez que tus ojos se hayan adaptado completamente a la oscuridad, podrás contar varios cientos de estrellas de distintos grados de brillo.

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Cómo un débil pulso magnético pudo haber reiniciado la evolución hace 600 millones de años

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Cómo un débil pulso magnético pudo haber reiniciado la evolución hace 600 millones de años

La investigación sugiere que el estado inusual del campo magnético de la Tierra durante el período de Ediacara podría haber influido significativamente en el desarrollo de vida compleja al alterar los niveles de oxígeno atmosférico. El estudio revela que este período experimentó el campo magnético más débil jamás registrado, lo que podría haber permitido una mayor oxigenación, sustentando formas de vida más grandes y activas. Esta mejor comprensión de la dinámica geomagnética y evolutiva ofrece una idea del potencial de vida en otros planetas. Crédito: SciTechDaily.com

La evidencia sugiere que un campo magnético débil hace millones de años podría haber impulsado la proliferación de la vida.

El período de Ediacara, que abarca aproximadamente entre 635 y 541 millones de años, fue un período crucial en la historia de la Tierra. Esto marcó una era de transformación en la que surgieron organismos multicelulares complejos, allanando el camino para la explosión de la vida.

Pero, ¿cómo se produjo esta oleada de vida y qué factores en la Tierra pudieron haber contribuido a ella?

Investigadores de la Universidad de Rochester han descubierto pruebas convincentes de que el campo magnético de la Tierra se encontraba en un estado muy inusual cuando los animales macroscópicos del período Ediacara se diversificaban y prosperaban. Su estudio, publicado en Naturaleza Comunicaciones Tierra y medio ambienteplantea la cuestión de si estas fluctuaciones en el antiguo campo magnético de la Tierra condujeron a cambios en los niveles de oxígeno que podrían haber sido cruciales para la proliferación de formas de vida hace millones de años.

Fauna de Ediacara

Investigadores de la Universidad de Rochester estudiaron el campo magnético de la Tierra durante el Período de Transformación de Ediacara, que se extendió hace aproximadamente entre 635 y 541 millones de años. La investigación plantea interrogantes sobre los factores que podrían haber impulsado la aparición de organismos multicelulares complejos, como la fauna de Ediacara, notable por su parecido con los primeros animales. Crédito: Ilustración de la Universidad de Rochester / Michael Osadciw

Según John Tarduno, profesor William Kenan, Jr. en el Departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente, una de las formas de vida más notables del período de Ediacara fue la fauna de Ediacara. Se destacaban por su parecido con los primeros animales: algunos incluso alcanzaban más de un metro (tres pies) y eran móviles, lo que indica que probablemente necesitaban más oxígeno que las formas de vida anteriores.

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«Las ideas anteriores sobre la aparición de la espectacular fauna de Ediacara incluían factores genéticos o ecológicos, pero la proximidad con el campo geomagnético ultradébil nos motivó a revisar las cuestiones medioambientales y, en particular, la oxigenación de la atmósfera y los océanos», explica Tarduno. , quien también es decano de investigación de la Facultad de Artes y Ciencias y de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.

Los misterios magnéticos de la Tierra

Aproximadamente a 1.800 millas debajo de nosotros, el hierro líquido burbujea en el núcleo externo de la Tierra, creando el campo magnético protector del planeta. Aunque invisible, el campo magnético es esencial para la vida en la Tierra porque protege al planeta del viento solar, es decir, del flujo de radiación solar. Pero el campo magnético de la Tierra no siempre ha sido tan poderoso como lo es hoy.

Los investigadores han sugerido que un campo magnético inusualmente débil puede haber contribuido al surgimiento de la vida animal. Sin embargo, examinar el vínculo ha sido difícil debido a los datos limitados sobre la intensidad del campo magnético durante este tiempo.

Fauna de Dickinsonia Ediacaran

Huella fósil de Dickinsonia, un ejemplo de la fauna de Ediacara, encontrada en la actual Australia. Crédito: Shuhai Xiao, Virginia Tech

Tarduno y su equipo utilizaron estrategias y técnicas innovadoras para examinar la intensidad del campo magnético estudiando el magnetismo encerrado en antiguos cristales de feldespato y piroxeno de la roca anortosita. Los cristales contienen partículas magnéticas que preservan la magnetización de la formación de minerales. Al datar rocas, los investigadores pueden construir una línea de tiempo del desarrollo del campo magnético de la Tierra.

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Aproveche las herramientas de vanguardia, incluido un CO2 láser y el magnetómetro del Dispositivo de Interferencia Cuántica Superconductora (SQUID) del laboratorio, el equipo analizó con precisión los cristales y el magnetismo encerrados en su interior.

Un campo magnético débil

Sus datos indican que el campo magnético de la Tierra, en ocasiones durante el período de Ediacara, era el campo más débil conocido hasta la fecha (hasta 30 veces más débil que el campo magnético actual) y que la intensidad del campo magnético ultradébil duró al menos 26 millones de años.

Un campo magnético débil facilita que las partículas cargadas del sol eliminen átomos ligeros como el hidrógeno de la atmósfera, provocando que escapen al espacio. Si la pérdida de hidrógeno es significativa, es posible que quede más oxígeno en la atmósfera en lugar de reaccionar con el hidrógeno para formar vapor de agua. Estas reacciones pueden provocar una acumulación de oxígeno con el tiempo.

Fauna Fractofusus Ediacara

Impresión fósil de Fractofusus, un ejemplo de la fauna de Ediacara, encontrada en lo que hoy es Terranova, con un centavo canadiense cerca para escalar. Crédito: Shuhai Xiao, Virginia Tech

La investigación de Tarduno y su equipo sugiere que durante el período Ediacárico, el campo magnético ultradébil provocó una pérdida de hidrógeno durante al menos decenas de millones de años. Esta pérdida puede haber provocado una mayor oxigenación de la atmósfera y la superficie de los océanos, permitiendo el surgimiento de formas de vida más avanzadas.

Tarduno y su equipo de investigación descubrieron previamente que el campo geomagnético se recuperó durante el período Cámbrico posterior, cuando la mayoría de los grupos de animales comenzaron a aparecer en el registro fósil, y que el campo magnético protector se restableció, permitiendo que la vida floreciera.

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«Si el campo extraordinariamente débil hubiera permanecido después del Ediacara, la Tierra podría ser muy diferente del planeta rico en agua que es hoy: la pérdida de agua la habría secado gradualmente», dice Tarduno.

Dinámica básica y evolución.

El trabajo sugiere que comprender el interior de los planetas es crucial para considerar el potencial de vida más allá de la Tierra.

«Es fascinante pensar que los procesos en el núcleo de la Tierra podrían, en última instancia, estar relacionados con la evolución», dice Tarduno. «Mientras pensamos en la posibilidad de que haya vida en otros lugares, también debemos considerar cómo se forman y crecen los interiores de los planetas».

Para obtener más información sobre esta investigación, consulte Cómo el débil campo magnético de la Tierra ayudó al surgimiento de vida compleja.

Referencia: “El casi colapso del campo geomagnético puede haber contribuido a la oxigenación atmosférica y la radiación animal durante el período de Ediacara” por Wentao Huang, John A. Tarduno, Tinghong Zhou, Mauricio Ibañez-Mejia, Laércio Dal Olmo-Barbosa, Edinei Koester, Eric G. Blackman, Aleksey V. Smirnov, Gabriel Ahrendt, Rory D. Cottrell, Kenneth P. Kodama, Richard K. Bono, David G. Sibeck, Yong-Xiang Li, Francis Nimmo, Shuhai Xiao y Michael K. Watkeys, mayo 2, 2024, Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente.
DOI: 10.1038/s43247-024-01360-4

Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

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La simulación predice cuándo se extinguirán los humanos

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La simulación predice cuándo se extinguirán los humanos

Un día el mundo se acabará. Cuando esto suceda, el Sol esencialmente explotará hacia afuera, destruyendo muchos de los planetas a su alrededor mientras «muere» y alcanza otro ciclo de su vida. Pero antes de que eso suceda, los científicos dicen que probablemente podamos esperar el fin de la humanidad.

Por supuesto, el cambio climático es una preocupación constante que muchos científicos están tratando de abordar. Y se les ocurrieron algunas ideas realmente interesantes y asombrosas, incluido enviar burbujas al espacio para ayudar a bloquear la radiación solar. Sin embargo, todavía no se ha implementado ninguna solución.

Como resultado, el cambio climático continúa avanzando, amenazando con el derretimiento de los casquetes polares, lo que enviaría cientos de miles de kilómetros de costa bajo el océano. Y según una nueva simulación, el fin de la humanidad podría llegar en sólo 250 millones de años si el cambio climático continúa como hasta ahora.

Fuente de la imagen: piyaset / Adobe

La simulación se llevó a cabo mediante una supercomputadora utilizando diversos datos relacionados con el clima actual de la Tierra y la química de los océanos, así como el estado de las placas tectónicas y la biología. Esta simulación reveló que dentro de 250 millones de años, la atmósfera de la Tierra estará llena de CO2. Esto, sumado al calor del Sol, hará que la Tierra sea incapaz de sustentar muchas formas de vida, incluida la humanidad.

Esto significa que el fin de la humanidad probablemente llegará debido a un clima en el que es casi imposible cultivar alimentos. Donde el planeta se ve privado de agua y fuentes de alimento para los mamíferos, empujándonos a todos hacia la extinción. Es una idea aterradora y los científicos sin duda seguirán intentando encontrar formas de combatirla.

Tampoco es una idea descabellada. La simulación sugiere que veríamos temperaturas generalizadas entre 40 y 50 grados Celsius, o alrededor de 104 a 122 grados Fahrenheit. Estas temperaturas sólo empeorarían con los altos niveles de humedad, lo que haría la Tierra aún más inhabitable.

Un estudio fue publicado en Geociencias naturales detalla estos descubrimientos y ofrece una visión única del futuro que podría esperarle a la humanidad y a cientos de otras especies de mamíferos.

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