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El cristal cuántico con «inversión de tiempo» podría ser un nuevo sensor de materia oscura

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Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han vinculado, o «entrelazado», el movimiento mecánico y las propiedades electrónicas de un diminuto cristal azul, lo que le da una ventaja cuántica en la medición de campos eléctricos con una sensibilidad récord que puede mejorar la comprensión de la universo.

El sensor cuántico está formado por 150 iones de berilio (átomos cargados eléctricamente) confinados en un campo magnético, de modo que se autoorganizan en un cristal plano 2D de solo 200 millonésimas de metro de diámetro. Los sensores cuánticos como este tienen el potencial de detectar señales de la materia oscura, una sustancia misteriosa que podría resultar, entre otras teorías, partículas subatómicas que interactúan con la materia normal a través de un campo débil electromagnético. La presencia de materia oscura podría hacer que el cristal se mueva de manera reveladora, revelado por cambios colectivos entre los iones en el cristal en una de sus propiedades electrónicas, conocida como espín.

Como se describe en la edición del 6 de agosto de 2021 de Ciencia, los investigadores pueden medir la excitación vibratoria del cristal (el plano que se mueve hacia arriba y hacia abajo como la cabeza de un tambor) al monitorear los cambios en la rotación colectiva. La medida del giro indica la extensión de la excitación vibratoria, llamada desplazamiento.

Cristal cuántico

Ilustración del cristal cuántico NIST. Crédito: Burrows / JILA

Este sensor puede medir campos eléctricos externos que tienen la misma frecuencia de vibración que el cristal con más de 10 veces la sensibilidad de cualquier sensor atómico previamente demostrado. (Técnicamente, el sensor puede medir 240 nanovoltios por metro en un segundo). En los experimentos, los investigadores aplican un campo eléctrico débil para excitar y probar el sensor de cristal. Una búsqueda de materia oscura buscaría tal señal.

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«Los cristales de iones podrían detectar ciertos tipos de materia oscura, por ejemplo, axiones y fotones ocultos, que interactúan con la materia normal a través de un campo eléctrico débil», dijo el autor principal del NIST, John Bollinger. “La materia oscura forma una señal de fondo con una frecuencia de oscilación que depende de la masa de la partícula de materia oscura. Los experimentos que buscan este tipo de materia oscura se han realizado durante más de una década con circuitos superconductores. El movimiento de los iones atrapados proporciona sensibilidad en un rango diferente de frecuencias.

El grupo de Bollinger ha estado trabajando con el cristal iónico durante más de una década. Lo nuevo es el uso de un tipo específico de luz láser para entrelazar el movimiento y los giros colectivos de un gran número de iones, así como lo que los investigadores denominan una estrategia de «inversión del tiempo» para detectar los resultados.

Cristal cuántico

Ilustración del cristal cuántico NIST. Crédito: Burrows / JILA

El experimento se benefició de una colaboración con la teórica del NIST Ana Maria Rey, que trabaja en JILA, un instituto conjunto del NIST y la Universidad de Colorado Boulder. El trabajo teórico fue esencial para comprender las limitaciones de la configuración del laboratorio, ofreció un nuevo modelo para comprender el experimento que es válido para una gran cantidad de iones atrapados y demostró que la ventaja cuántica proviene del entrelazamiento de giro y movimiento, dijo Bollinger.

Rey señaló que el entrelazamiento es beneficioso para cancelar el ruido cuántico intrínseco de los iones. Sin embargo, es difícil medir el estado cuántico entrelazado sin destruir la información compartida entre el giro y el movimiento.

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“Para evitar este problema, John puede invertir la dinámica y desenredar la rotación y el movimiento después de aplicar el desplazamiento”, dijo Rey. “Esta inversión de tiempo desacopla la rotación y el movimiento, y ahora la rotación colectiva en sí contiene la información de desplazamiento, y cuando medimos las rotaciones, podemos determinar el desplazamiento con mucha precisión.

Los investigadores utilizaron microondas para producir los valores deseados de los giros. Los iones pueden estar orientados hacia arriba (a menudo pensados ​​como una flecha que apunta hacia arriba), hacia abajo o en otros ángulos, incluidos ambos al mismo tiempo, un estado cuántico especial. En este experimento, todos los iones tenían el mismo giro, primero hacia arriba y luego horizontalmente, por lo que cuando se excitaban, giraban juntos en un patrón característico de las peonzas.

Se utilizaron rayos láser cruzados, con una diferencia de frecuencia casi igual al movimiento, para entrelazar la rotación colectiva con el movimiento. El cristal se excitó luego con el vibrador. Se utilizaron los mismos láseres y microondas para deshacer el enredo. Para determinar qué tan lejos se movió el cristal, los investigadores midieron el nivel de fluorescencia del giro de los iones (el giro hacia arriba dispersa la luz, el giro hacia abajo es oscuro).

En el futuro, se espera que el aumento del número de iones a 100.000 mediante la fabricación de cristales 3D aumente la capacidad de detección en un factor de treinta. Además, se podría mejorar la estabilidad del movimiento excitado del cristal, lo que mejoraría el proceso de inversión del tiempo y la precisión de los resultados.

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“Si somos capaces de mejorar este aspecto, este experimento puede convertirse en un recurso fundamental para detectar la materia oscura”, dijo Rey. “Sabemos que el 85% de la materia del universo es materia oscura, pero hasta el día de hoy no sabemos qué es la materia oscura. Esta experiencia podría permitirnos en el futuro develar este misterio.

Los coautores incluyeron investigadores de la Universidad de Oklahoma. Este trabajo es apoyado en parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias.

Referencia: «Detección cuántica mejorada de movimientos y campos eléctricos con cristales de iones atrapados bidimensionales» por KA Gilmore, M. Affolter, RJ Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, AM Rey y JJ Bollinger., 5 de agosto , 2021, Ciencia.
DOI: 10.1126 / science.abi5226

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La NASA explica cómo SpaceX repostará naves espaciales en órbita terrestre baja

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La NASA explica cómo SpaceX repostará naves espaciales en órbita terrestre baja
Agrandar / Ilustración artística de dos naves espaciales acopladas vientre con vientre en órbita.

EspacioX

El año que viene, la NASA cree que SpaceX estará lista para conectar dos naves espaciales en órbita para una ambiciosa demostración de reabastecimiento de combustible, una hazaña de ingeniería que pondrá la Luna a su alcance.

SpaceX tiene un contrato con la NASA para proporcionar dos naves espaciales con capacidad humana para los dos primeros aterrizajes de astronautas en la Luna como parte del programa Artemis de la agencia, cuyo objetivo es devolver humanos a la superficie lunar por primera vez desde 1972. de estos aterrizajes, en la misión Artemis III de la NASA, está actualmente previsto para 2026, aunque en general se considera un calendario ambicioso.

El año pasado, la NASA otorgó un contrato a Blue Origin para desarrollar su propio módulo de aterrizaje lunar Blue Moon, brindando a los gerentes de Artemis dos opciones para misiones de seguimiento.

Los diseñadores de ambos módulos de aterrizaje miraban hacia el futuro. Diseñaron Starship y Blue Moon para repostar en el espacio. Esto significa que podrían reutilizarse para múltiples misiones y, en última instancia, podrían aprovechar los propulsores producidos a partir de recursos de la Luna o Marte.

Amit Kshatriya, que dirige el programa «Luna a Marte» en la División de Exploración de la NASA, presentó el plan de SpaceX en una reunión con un comité del Consejo Asesor de la NASA el viernes. Dijo que el programa de prueba Starship está ganando impulso y que el próximo vuelo de prueba desde el sitio de lanzamiento Starbase de SpaceX en el sur de Texas se espera para fines de mayo.

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«La producción no es el problema», afirmó Kshatriya. «Están rodando núcleos. Los motores están fluyendo hacia la fábrica. Ese no es el problema. El problema es que hacer lo que están tratando de hacer es un desafío de desarrollo significativo… Tenemos que controlar este problema de transferencia del propulsor. Este es el problema correcto que debemos intentar resolver. Estamos tratando de construir un plan para la exploración del espacio profundo.

Hoja de ruta para repostar

Antes de ir a la Luna, SpaceX y Blue Origin deberán dominar las tecnologías y técnicas necesarias para repostar combustible en el espacio. Actualmente, se espera que SpaceX intente el próximo año la primera demostración de una transferencia de propulsor a gran escala entre dos naves en órbita.

Habrá al menos varios vuelos de prueba más de Starship de aquí a entonces. Durante el último vuelo de prueba de Starship en marzo, SpaceX realizó una transferencia de prueba de propulsor criogénico entre dos tanques dentro del vehículo. Esta transferencia de oxígeno líquido de tanque a tanque fue parte de una demostración financiada por la NASA. Los funcionarios de la agencia dijeron que la demostración permitiría a los ingenieros aprender más sobre cómo se comporta el fluido en un entorno de baja gravedad.

Kshatriya dijo que si bien los ingenieros aún están analizando los resultados de la demostración de transferencia criogénica, la prueba en el vuelo March Starship «fue un éxito en todos los sentidos».

“Este paso quedó atrás”, dijo el viernes. Ahora, SpaceX ofrecerá más vuelos de prueba de Starship. El próximo lanzamiento intentará probar algunas capacidades adicionales que SpaceX no demostró durante el vuelo de prueba de marzo.

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Estos incluirán un aterrizaje preciso del propulsor Super Heavy de Starship en el Golfo de México, que es necesario antes de que SpaceX intente aterrizar el propulsor en su plataforma de lanzamiento en Texas. Otro objetivo probablemente será reiniciar un solo motor Raptor en Starship en vuelo, algo que SpaceX no logró durante el vuelo de marzo debido a velocidades de balanceo inesperadas en el vehículo mientras cruzaba el espacio. Realizar un reinicio del motor en órbita, necesario para guiar a Starship hacia un reingreso controlado, es un requisito previo para futuros lanzamientos a una órbita estable y más alta, donde la nave podría holgazanear durante horas, días o semanas para desplegar satélites e intentar repostar combustible. .

A largo plazo, SpaceX quiere acelerar la cadencia de lanzamiento de Starship a muchos vuelos diarios desde múltiples sitios de lanzamiento. Para lograr este objetivo, SpaceX planea recuperar y reutilizar rápidamente naves espaciales y propulsores súper pesados, aprovechando la experiencia del cohete Falcon 9 parcialmente reutilizable. Elon Musk, fundador y director ejecutivo de SpaceX, quiere reutilizar naves y propulsores lo antes posible. A principios de este mes, Musk dijo que era optimista de que SpaceX podría recuperar un propulsor súper pesado en Texas a finales de este año y aterrizar una nave espacial en Texas el próximo año.

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Bailey nombrado director del Centro Espacial Stennis de la NASA

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Bailey nombrado director del Centro Espacial Stennis de la NASA

John Bailey, director del Centro Espacial John C. Stennis (foto de la NASA)

  • El Centro Espacial Stennis de la NASA, ubicado en el condado de Hancock, alberga a más de 50 inquilinos residentes con una fuerza laboral total de más de 5200 personas.

John Bailey ha sido nombrado director del Centro Espacial Stennis de la NASA en el condado de Hancock, Mississippi, con efecto inmediato.

Bailey se había desempeñado como director interino desde enero.

En una declaración anunciando el nombramiento de Bailey, el administrador de la NASA, Bill Nelson, dijo que confiaba en que Bailey conduciría el sitio de pruebas de propulsión más grande y principal del país hacia un éxito aún mayor.

«John aprovechará sus casi 35 años de servicio federal para liderar nuestra talentosa fuerza laboral en Stennis», dijo Nelson. “Gran parte de la NASA pasa por Stennis. Es donde perfeccionamos nuevas e interesantes capacidades en el sector aeroespacial, tecnológico y de exploración del espacio profundo.

Durante su carrera, Bailey sirvió en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y la NASA. Se unió al equipo Stennis de la NASA en 1999 y posteriormente ocupó varios puestos. Fue nombrado director asociado de NASA Stennis en 2018 y seleccionado subdirector del centro en 2021.

El Centro Espacial Stennis de la NASA alberga a más de 50 inquilinos residentes con una fuerza laboral total de más de 5200 personas. Es un centro de pruebas clave para los sistemas de lanzamiento, propulsión y motores de la agencia federal.

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Stennis también está creciendo, convirtiéndose en un centro aeroespacial y tecnológico con sistemas inteligentes y autónomos en desarrollo necesarios para la exploración del espacio profundo.

«Este es un momento emocionante para la NASA Stennis y me siento profundamente honrado de liderar su gran familia de empleados que conforman esta tremenda fuerza laboral», dijo Bailey en el anuncio.

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Los científicos descubren una 'sorpresa' que cambia la comprensión del universo

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Los científicos descubren una 'sorpresa' que cambia la comprensión del universo

Volver a los primeros días del universo parece algo que sólo sería posible en la ciencia ficción, pero los expertos han logrado encontrar algo muy lejano en las profundidades del tiempo y real.

Algunos de los astrónomos más importantes del mundo han descubierto algo «realmente sorprendente» ocurrido hace miles de millones de años que podría cambiar por completo la comprensión de nuestro universo.

Este es el resultado del estudio de los resultados de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del telescopio espacial James Webb de la NASA.

Esta tecnología extremadamente avanzada permite a los expertos estudiar las galaxias más antiguas del universo, dando una indicación de las condiciones que existían hace muchos, muchos años.

El universo tiene alrededor de 13,7 mil millones de años y un equipo de investigadores de la Universidad de Durham pudo observar datos conocidos como formación de barras apenas unos miles de millones de años después de que se formara el universo, lo cual es bastante sorprendente de comprender.

Esto es más que las observaciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble, que ofrecen una visión de las condiciones de hace nueve mil millones de años.

Los hallazgos del equipo se publican en la revista. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

iStock

Los nuevos descubrimientos son más significativos que simplemente ofrecer una visión del pasado más lejana que antes. De hecho, la naturaleza de los hallazgos podría significar que es posible que sea necesario reevaluar nuestra comprensión de los primeros días del universo.

Esto se relaciona con las formaciones de barras, porque la presencia de estas formas más sedentarias es un indicador de ambientes más sedentarios, en comparación con la naturaleza más caótica de las galaxias durante su período de gestación anterior.

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Zoe Le Conte es investigadora de doctorado en el Centro de Astronomía Extragaláctica del Departamento de Física de la Universidad de Durham y también es la autora principal de la investigación.

Le Conte dijo: “Las galaxias del universo primitivo están madurando mucho más rápido de lo que pensábamos. Esto es una verdadera sorpresa porque se esperaría que el universo en este punto fuera muy turbulento con muchas colisiones entre galaxias y mucho gas que aún no se ha convertido en estrellas.

“Sin embargo, gracias al Telescopio Espacial James Webb, estamos viendo muchas de estas barras mucho antes en la vida del Universo, lo que significa que las galaxias se encontraban en una etapa más avanzada de su evolución de lo que se pensaba anteriormente.

«Esto significa que tendremos que ajustar nuestra visión sobre la evolución temprana de las galaxias».

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