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Experimento láser de casi 50 metros establece récord en pasillo de universidad

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Experimento láser de casi 50 metros establece récord en pasillo de universidad

Se envía un láser por un pasillo de la UMD en un experimento para atrapar la luz mientras viaja 45 metros. Crédito: Laboratorio de Interacciones Láser-Materia Intensas, UMD

No todas las universidades tienen pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y piel en un pasillo. Pero eso es lo que sucedió en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, un edificio de aspecto anodino en la esquina noreste del campus. Si ahora visita el cuarto de servicio blanco y gris, se parece a cualquier otro salón de la universidad, siempre que no mire detrás de un tablero de corcho y vea la placa de metal que cubre un agujero en la pared.


Pero durante algunas noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Milchberg y sus colegas transformaron el pasillo en un laboratorio: las superficies brillantes de las puertas y una fuente de agua se cubrieron para evitar un resplandor potencialmente cegador; los pasillos de conexión estaban bloqueados con letreros, cinta adhesiva y láser– cortinas negras absorbentes; y el equipo científico y los cables habitaban un espacio para caminar normalmente abierto.

Mientras los miembros del equipo realizaban su trabajo, un fuerte chasquido los alertó sobre el camino peligrosamente poderoso que el láser estaba trazando por el pasillo. A veces, el viaje del rayo terminaba en un bloque de cerámica blanca, llenando el aire con estallidos más fuertes y un sabor metálico. Cada noche, un investigador se sentaba solo frente a una computadora en el laboratorio adyacente con un walkie-talkie y realizaba los ajustes láser solicitados.

Sus esfuerzos fueron transfigurar temporalmente el aire delgado en una fibra cable óptico-o, más precisamente, un aire guiaondas– que guiaría la luz a lo largo de decenas de metros. Al igual que uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporcionan autopistas eficientes para los flujos de datos ópticos, una guía de ondas aérea prescribe un camino para la luz.

Estas guías de ondas aéreas tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de luz emitida por la contaminación atmosférica, la comunicación láser de largo alcance o incluso las armas láser. Con una guía de ondas de aire, no hay necesidad de desenrollar un cable sólido y preocuparse por las tensiones de la gravedad; en cambio, el cable se forma rápidamente sin soporte en el aire.

En un artículo aceptado para su publicación en la revista Exploración física X el equipo describió cómo establecieron un récord al guiar la luz a través de guías de ondas de aire de 45 metros de largo y explicaron la física detrás de su método.

Los investigadores llevaron a cabo su alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar incomodar (o zapping) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tenían que aprobar sus procedimientos de seguridad antes de poder reasignar el pasillo.

«Fue una experiencia verdaderamente única», dice Andrew Goffin, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática de la UMD que trabajó en el proyecto y es autor principal del artículo de revista resultante. «Hay mucho trabajo relacionado con disparar láseres fuera del laboratorio con el que no tienes que lidiar cuando estás en el laboratorio, como poner cortinas para la seguridad de los ojos. Fue realmente agotador».

Todo el trabajo consistía en ver hasta dónde podían llevar la técnica. Anteriormente, el laboratorio de Milchberg había demostrado que un método similar funcionaba para distancias inferiores a un metro. Pero los investigadores se encontraron con un obstáculo al extender sus experimentos a decenas de metros: su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, un hueco en la pared y un pasillo se convierten en un espacio de laboratorio.

«Hubo grandes desafíos: la gran escala de hasta 50 metros nos obligó a reconsiderar la física fundamental de la generación de guías de ondas en el aire, además de querer enviar un láser de alta potencia descender por un corredor público de 50 metros de largo genera naturalmente importantes problemas de seguridad”, dice Milchberg. “Afortunadamente, hemos tenido una excelente cooperación de los físicos y la Oficina de Seguridad Ambiental de Maryland.

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un Rayo de luz– ya sea desde un láser o una linterna – se expandirá continuamente a medida que se mueve. Si se permite que se propague sin control, la intensidad de un haz puede caer a niveles innecesarios. Ya sea que esté intentando recrear un blaster láser de ciencia ficción o detectar niveles de contaminantes en la atmósfera bombeándolos con energía con un láser y capturando la luz emitida, vale la pena entregar una luz eficiente y enfocada.

La solución potencial de Milchberg para este desafío de mantener la luz confinada es la luz suplementaria, en forma de pulsos de láser ultracortos. Este proyecto se basó en un trabajo anterior de 2014 en el que su laboratorio demostró que podían usar esos pulsos de láser para tallar guías de ondas en el aire.

Experimento láser de casi 50 metros establece un récord en el pasillo de la Universidad de Maryland

Distribución de la luz láser recogida después de la trayectoria del corredor sin guía de ondas (izquierda) y con guía de ondas (derecha). Crédito: Laboratorio de Interacciones Láser-Materia Intensas, UMD

La técnica de pulso corto utiliza la capacidad de un láser para entregar una intensidad tan alta a lo largo de un camino, llamado filamento, que crea un plasma, una fase de la materia donde los electrones han sido despojados de sus átomos. Esta ruta de energía calienta el aire, por lo que se expande y deja una ruta de aire de baja densidad en la estela del láser. Este proceso es como una versión diminuta de relámpagos y truenos donde la energía del relámpago convierte el aire en un plasma que expande el aire de forma explosiva, creando el trueno; los estallidos que escucharon los investigadores a lo largo del camino del rayo eran los primos diminutos del trueno.

Pero estas trayectorias de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para guiar un láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (igual que los cables de fibra óptica de Internet). Entonces crearon una disposición de varios túneles de baja densidad que se difunden naturalmente y se fusionan en un foso que rodea un núcleo más denso de aire no perturbado.

Los experimentos de 2014 utilizaron una disposición establecida de solo cuatro filamentos de láser, pero el nuevo experimento aprovechó una nueva configuración de láser que aumenta automáticamente la cantidad de filamentos en función de la energía del láser; los filamentos se distribuyen naturalmente alrededor de un anillo.

Los investigadores demostraron que la técnica podría extender la longitud de la guía de ondas de aire, aumentando la potencia que podrían entregar a un objetivo en el pasillo. Al final de la trayectoria del láser, la guía de ondas había retenido alrededor del 20 % de la luz que, de otro modo, se habría perdido en el área objetivo. La distancia fue unas 60 veces mayor que su registro de experimentos anteriores. Los cálculos del equipo sugieren que aún no están cerca del límite teórico de la técnica, y dicen que en el futuro deberían lograrse fácilmente eficiencias de guía mucho más altas con el método.

«Si tuviéramos un corredor más largo, nuestros resultados muestran que podríamos haber ajustado el láser para una guía de ondas más larga», dice Andrew Tartaro, un estudiante graduado de física de la UMD que trabajó en el proyecto y es uno de los autores del artículo. «Pero tenemos nuestra guía solo para el pasillo que tenemos».

Los investigadores también llevaron a cabo pruebas más cortas de ocho metros en el laboratorio donde estudiaron con más detalle la física que se desarrolla en el proceso. Para la prueba más corta, lograron entregar alrededor del 60% de la luz potencialmente perdida a su objetivo.

El estallido de la formación de plasma se puso en práctica en sus pruebas. Además de ser una indicación de dónde estaba el rayo, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una línea de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y la fuerza de la guía de ondas a lo largo de su longitud (más energía para hacer la guía de ondas se traduce en un ruido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas solo duró unas pocas centésimas de segundo antes de disiparse en el aire. Pero es una eternidad para las ráfagas de láser que le enviaron los investigadores: la luz puede viajar más de 3.000 km durante este período.

Basándose en lo que los investigadores aprendieron de sus experimentos y simulaciones, el equipo está planificando experimentos para mejorar aún más la longitud y la eficiencia de sus guías de ondas. También planean guiar diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida puede producir una guía de ondas para canalizar un haz continuo de alta potencia.

«Alcanzar la escala de 50 metros para las guías de ondas en el aire literalmente abre el camino a guías de ondas aún más largas y muchas aplicaciones», dice Milchberg. «Con base en los nuevos láseres que recibiremos pronto, tenemos la receta para extender nuestras guías a una milla y más allá».

Más información:
A. Goffin et al, Guía óptica en guías de ondas de aire a escala de 50 metros, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (artículo aceptado para publicación en la revista Exploración física X)

Proporcionado por
Universidad de Maryland

Cotizar: Experimento con láser de casi 50 metros establece un récord en el pasillo de la universidad (19 de enero de 2023) Recuperado el 20 de enero de 2023 de https://phys.org/news/2023-01-meter-laser-university-hallazgo.html

Este documento está sujeto a derechos de autor. Excepto para el uso justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente a título informativo.

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La tierra inundada frente a Australia fue un punto de acceso aborigen durante la última edad de hielo, revelan 4.000 artefactos de piedra

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La tierra inundada frente a Australia fue un punto de acceso aborigen durante la última edad de hielo, revelan 4.000 artefactos de piedra

Un análisis de más de 4.000 artefactos de piedra descubiertos en una isla del noroeste de Australia proporciona información sobre la vida aborigen hace decenas de miles de años.

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Este extraño gusano tiene una «visión excepcional» y los científicos no saben por qué: ScienceAlert

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Este extraño gusano tiene una «visión excepcional» y los científicos no saben por qué: ScienceAlert

Hay globos oculares extraños en el reino animal en general, pero un tipo de gusano marino está dejando atónitos a los científicos.

Se llaman gusanos poliquetos alciópidos y sus ojos son sencillamente enormes. Juntos, los ojos pesan 20 veces el peso del resto de la cabeza del animal; para un humanoeso sería alrededor de 50 kilogramos (110 libras) por ojo.

Conocemos estos mirones gigantes desde hace un tiempo; lo que los científicos querían saber es qué ven los gusanos con ellos.

«Decidimos desentrañar el misterio de por qué un gusano transparente casi invisible que se alimenta en la oscuridad de la noche evolucionó para adquirir ojos enormes». dice el biólogo marino Michael Bok de la Universidad de Lund en Suecia. «Por lo tanto, el primer objetivo era determinar si los ojos grandes le daban al gusano una buena visión».

Su trabajo implicó una investigación detallada sobre la visión de tres especies de gusanos marinos nocturnos del Mediterráneo: torrea cándida, vanadis cf. FormosaY náyades cantrainiicada uno de los cuales luce un par gigante de mirones bulbosos.

Los investigadores realizaron estudios ópticos, morfológicos y electrofisiológicos de los ojos de estos animales de forma granular. Y los resultados revelaron que la familia de gusanos poliquetos Alciopidae a la que pertenecen las tres especies es capaz de ver objetos pequeños o distantes y seguir su movimiento.

Un collage con los ojos de los tres gusanos. vanadis cf. Formosa está en la parte inferior izquierda; torrea cándida arriba a la derecha ; Y náyades cantrainii abajo a la derecha. (Bok et al., actual. Biol.2024)

Dado que hasta ahora sólo se sabía que los vertebrados, artrópodos y cefalópodos tenían visión de objetos, esto es definitivamente algo inusual. La mayoría de los otros gusanos poliquetos tienen visión básica de baja resoluciónO fotorrecepción direccional que sólo detecta la presencia de luz y la dirección de su procedencia.

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“Esta es la primera vez que se demuestra una visión tan avanzada y detallada más allá de estos grupos”. dice el neurobiólogo y biólogo marino Anders Garm de la Universidad de Copenhague.

«De hecho, nuestra investigación ha demostrado que el gusano tiene una visión excepcional. Su vista es comparable a la de los ratones o las ratas, aunque es un organismo relativamente simple con un cerebro diminuto».

Aún no está claro por qué una criatura activa durante la noche en el fondo del océano necesita una agudeza visual tan refinada. Y realmente así parece; Si el cuerpo del gusano es lo suficientemente transparente como para permitirle esconderse, sus ojos deben permanecer lo suficientemente opacos para absorber la luz. Esto significa que los ojos deben conferir un beneficio que compense el riesgo de ser notados por los depredadores que pasan.

No sabemos con certeza cuál es este beneficio. Pero la investigación hecho hace casi 50 años ofrece una pista. En 1977, los científicos descubrieron que los ojos de estos gusanos eran más sensibles para detectar longitudes de onda ultravioleta. Esto sugiere que la vida marina nocturna tiene un secreto que aún tenemos que descubrir.

«Tenemos la teoría de que los propios gusanos son bioluminiscentes y se comunican entre sí a través de la luz. Si se utiliza luz azul o verde normal como bioluminiscencia, también se corre el riesgo de atraer a los depredadores. Pero si el gusano utiliza luz ultravioleta, permanecerá invisible». » garm explica.

«También puede ser que estén buscando presas bioluminiscentes ultravioleta. Pero de cualquier manera, esto hace que las cosas sean realmente emocionantes porque la bioluminiscencia ultravioleta aún no se ha observado en ningún otro animal. Así que esperamos poder presentar esto como el primer ejemplo». «

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La investigación fue publicada en Biología actual.

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Un nuevo estudio revoluciona las teorías ecológicas

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Un nuevo estudio revoluciona las teorías ecológicas

Nanuqsaurus, al fondo, y Pachyrhinosaurus, con el cráneo en primer plano, se encontraban entre las especies de dinosaurios incluidas en un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Alaska Fairbanks y la Universidad de Reading que cuestiona la regla de Bergmann. Crédito: James Havens

Cuando agregas dinosaurios a la mezcla, a veces descubres que una regla simplemente no lo es.

Un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Alaska Fairbanks y la Universidad de Reading desafía la regla de Bergmann, un principio científico del siglo XIX de que los animales en latitudes más altas y climas más fríos tienden a ser más grandes que sus parientes cercanos que viven en climas más cálidos. .

El registro fósil muestra lo contrario.

«Nuestro estudio muestra que la evolución de los diversos tamaños corporales en dinosaurios y mamíferos no se puede reducir a una simple función de latitud o temperatura», dijo Lauren Wilson, estudiante graduada de la UAF y autora principal de un artículo publicado en la revista. Comunicaciones naturales. “Encontramos que la regla de Bergmann sólo es aplicable a un subconjunto de animales homeotérmicos (aquellos que mantienen una temperatura corporal estable), y sólo cuando se considera la temperatura, ignorando todas las demás variables climáticas. Esto sugiere que la «regla» de Bergmann es en realidad la excepción y no la regla.

Examinando la regla de Bergmann en dinosaurios y especies modernas

El estudio comenzó con una simple pregunta que Wilson discutió con su asesor universitario: ¿Se aplica la regla de Bergmann a los dinosaurios?

Después de evaluar cientos de datos extraídos del registro fósil, la respuesta parecía ser un rotundo «no».

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El conjunto de datos incluía los dinosaurios más septentrionales conocidos por los científicos, los de la Formación Prince Creek en Alaska. Experimentaron temperaturas bajo cero y nevadas. A pesar de esto, los investigadores no encontraron ningún aumento notable en el tamaño corporal de los dinosaurios árticos.

Luego, los investigadores intentaron la misma evaluación con mamíferos y aves modernos, descendientes de mamíferos y dinosaurios prehistóricos. Los resultados fueron en gran medida los mismos: la latitud no predecía el tamaño corporal en las aves y los mamíferos modernos. especies. Había una ligera relación entre el tamaño corporal de las aves modernas y la temperatura, pero no ocurría lo mismo con las aves prehistóricas.

Los investigadores dicen que el estudio es un buen ejemplo de cómo los científicos pueden y deben utilizar el registro fósil para probar las reglas e hipótesis científicas actuales.

«El registro fósil abre una ventana a ecosistemas y condiciones climáticas completamente diferentes, lo que nos permite evaluar la aplicabilidad de estas reglas ecológicas de una manera completamente nueva», dijo Jacob Gardner, investigador postdoctoral de la Universidad de Reading y otro autor principal del estudio. estudiar. el papel.

Las reglas científicas deberían aplicarse a los organismos fósiles de la misma manera que se aplican a los organismos modernos, dijo Pat Druckenmiller, director del Museo del Norte de la Universidad de Alaska y uno de los coautores del artículo.

«No se pueden entender los ecosistemas modernos si se ignoran sus raíces evolutivas», afirmó. “Hay que mirar al pasado para comprender cómo las cosas llegaron a ser lo que son hoy. »

Referencia: “Gradientes latitudinales globales y la evolución del tamaño corporal en dinosaurios y mamíferos” por Lauren N. Wilson, Jacob D. Gardner, John P. Wilson, Alex Farnsworth, Zackary R. Perry, Patrick S. Druckenmiller, Gregory M. Erickson. y Chris L. Organ, 5 de abril de 2024, Comunicaciones naturales.
DOI: 10.1038/s41467-024-46843-2

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