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Los científicos crean dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes fundamentales del universo

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Los humanos experimentan el mundo en tres dimensiones, pero una colaboración en Japón ha desarrollado una forma de crear dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes fundamentales del Universo y eventualmente aplicarlas a tecnologías avanzadas.

Publicaron sus resultados hoy (28 de enero de 2022) en Los científicos progresan.

«El concepto de dimensionalidad se ha vuelto central en varios campos de la física y la tecnología contemporáneas en los últimos años», dijo el autor del artículo Toshihiko Baba, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Yokohama. «Si bien las investigaciones de materiales y estructuras de dimensiones inferiores han sido fructíferas, los rápidos avances en topología han descubierto una nueva abundancia de fenómenos potencialmente útiles según la dimensionalidad del sistema, llegando incluso más allá de las tres dimensiones espaciales disponibles en el mundo que nos rodea».

La topología se refiere a una extensión de la geometría que matemáticamente describe espacios con propiedades preservadas en una distorsión continua, como la torsión de una cinta de Moebius. Cuando se combinan con la luz, según Baba, estos espacios físicos se pueden dirigir de una manera que permite a los investigadores inducir fenómenos muy complicados.

En el mundo real, desde una línea hasta un cuadrado y un cubo, cada dimensión brinda más información y también requiere más conocimiento para describirla con precisión. En la fotónica topológica, los investigadores pueden crear dimensiones adicionales de un sistema, lo que permite más grados de libertad y una manipulación multifacética de propiedades que antes eran inaccesibles.

«Las dimensiones sintéticas han permitido la explotación de diseños de mayor dimensión en dispositivos de menor dimensión con una complejidad reducida, además de impulsar características críticas del dispositivo, como el aislamiento óptico en el chip», dijo Baba.

Esquema y operación del dispositivo de dimensión sintética de fotónica de silicio

El resonador de anillo fabricado con fotónica de silicio y modulado internamente genera una escala de frecuencia. Crédito: Universidad Nacional de Yokohama

Los investigadores fabricaron una dimensión sintética en un resonador de anillo de silicio, utilizando el mismo enfoque utilizado para construir semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS), un chip de computadora capaz de almacenar memoria. Un resonador de anillo aplica guías para controlar y dividir las ondas de luz según parámetros específicos, como anchos de banda particulares.

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Según Baba, el dispositivo fotónico resonador de anillo de silicio adquirió un espectro óptico «similar a un peine», lo que resultó en modos acoplados que corresponden a un patrón unidimensional. En otras palabras, el dispositivo produjo una propiedad medible, una dimensión sintética, que permitió a los investigadores inferir información sobre el resto del sistema.

Si bien el dispositivo desarrollado incluye un anillo, se pueden apilar varios para producir efectos en cascada y caracterizar rápidamente las señales de frecuencia óptica.

Críticamente, dijo Baba, su plataforma, incluso con anillos apilados, es mucho más pequeña y compacta que los enfoques anteriores, que usaban fibra óptica conectada a varios componentes.

«Una plataforma de chips fotónicos de silicio más escalable es un gran paso adelante, que permite que la fotónica en dimensiones sintéticas se beneficie del conjunto de herramientas de fabricación comercial CMOS maduro y sofisticado, al mismo tiempo que crea los medios para introducir fenómenos topológicos multidimensionales en aplicaciones de dispositivos novedosos. “, dijo Babá.

La flexibilidad del sistema, incluida la capacidad de reconfigurarlo si es necesario, complementa espacios estáticos equivalentes en el espacio real, lo que podría ayudar a los investigadores a eludir las limitaciones dimensionales del espacio real para comprender fenómenos incluso más allá de las tres dimensiones, según Baba.

«Este trabajo muestra la posibilidad de que la fotónica de dimensiones topológicas y sintéticas se pueda utilizar prácticamente con una plataforma de integración de fotónica de silicio», dijo Baba. «A continuación, planeamos recopilar todos los elementos fotónicos de dimensión topológica y sintética para construir un circuito integrado topológico».

Referencia: «Estructuras de banda de dimensión sintética en una plataforma fotónica Si CMOS» 28 de enero de 2022, Los científicos progresan.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468

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Otros colaboradores incluyen Armandas Balčytis y Jun Maeda, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Nacional de Yokohama; Tomoki Ozawa, Instituto de Investigación de Materiales Avanzados, Universidad de Tohoku; y Yasutomo Ota y Satoshi Iwamoto, Instituto de Electrónica de Información Nano Cuántica, Universidad de Tokio. Ota también está afiliado al Departamento de Física Aplicada y Computación Física de la Universidad de Keio. Iwamoto también está afiliado al Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología Avanzadas y al Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio.

La Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JP20H01845) y RIKEN apoyaron esta investigación.

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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