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

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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Los ingredientes clave para la vida en la Tierra provienen del espacio, sugiere nueva evidencia

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Los ingredientes clave para la vida en la Tierra provienen del espacio, sugiere nueva evidencia

Ha surgido nueva evidencia que sugiere que los componentes básicos de la vida fueron traídos a la Tierra primordial desde el espacio mediante meteoritos, un descubrimiento que podría ayudar a los científicos a buscar vida extraterrestre.

Se cree que estos meteoritos fueron restos fracturados de los primeros «asteroides no fundidos», un tipo de planetesimal. Los planetesimales son pequeños cuerpos rocosos que sirvieron como componentes básicos de los planetas rocosos del Sistema Solar, incluida la Tierra. Se formaron hace unos 4.600 millones de años en el disco de polvo y gas que rodeaba al sol naciente, cuando las partículas alrededor de nuestra joven estrella comenzaron a pegarse, acumulando más masa y formando cuerpos cada vez más grandes.

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El telescopio Hubble captura la gran mancha roja de Júpiter contrayéndose como una bola de estrés

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El telescopio Hubble captura la gran mancha roja de Júpiter contrayéndose como una bola de estrés

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Nuevas observaciones de la Gran Mancha Roja de Júpiter capturadas por el Telescopio Espacial Hubble muestran que la tormenta de 190 años se mueve como gelatina y cambia de forma como una bola de estrés apretada.

Las inesperadas observaciones, realizadas por el Hubble durante 90 días, de diciembre a marzo, muestran que la Gran Mancha Roja no es tan estable como parece, según los astrónomos.

La Gran Mancha Roja, o GRS, es un anticiclón, o gran circulación de vientos en la atmósfera de Júpiter que gira alrededor de un área central de alta presión a lo largo del cinturón de nubes de latitud media sur del planeta. Y la tormenta de larga duración es tan grande (la más grande del sistema solar) que la Tierra podría entrar en ella.

Aunque las tormentas generalmente se consideran inestables, la Gran Mancha Roja ha persistido durante casi dos siglos. Pero los cambios observados en la tormenta parecen estar relacionados con su movimiento y tamaño.

Un lapso de tiempo de las imágenes muestra el vórtice «temblando» como gelatina y expandiéndose y contrayéndose con el tiempo.

Los investigadores describieron la observación en un análisis publicado en La revista de ciencia planetaria y presentado el miércoles en la 56ª Reunión Anual de la División de Ciencias Planetarias de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Boise, Idaho.

“Aunque sabíamos que su movimiento varía ligeramente en longitud, no esperábamos ver oscilar también su tamaño. Hasta donde sabemos, esto no se ha identificado antes”, dijo en un comunicado la autora principal del estudio, Amy Simon, científica planetaria del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

«Esta es realmente la primera vez que tenemos la cadencia de imágenes adecuada del GRS», dijo Simon. “Con la alta resolución del Hubble, podemos decir que el GRS definitivamente entra y sale al mismo tiempo que se mueve cada vez más lento. Fue muy inesperado.

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Los astrónomos han estado observando la icónica característica carmesí durante al menos 150 años y, a veces, las observaciones resultan en sorpresas, incluida la última revelación de que la forma ovalada de la tormenta puede cambiar de tamaño y, a veces, parecer más delgada o más gorda.

Recientemente, un equipo independiente de astrónomos examinó el corazón de la Gran Mancha Roja utilizando el Telescopio Espacial James Webb para capturar nuevos detalles en luz infrarroja. Las observaciones del Hubble se realizaron en luz visible y ultravioleta.

El estudio, publicado el 27 de septiembre en la Revista de investigación geofísica: planetasreveló que la Gran Mancha Roja está fría en el centro, lo que hace que el amoníaco y el agua dentro del vórtice se condensen y creen nubes espesas. El equipo de investigación también detectó gas fosfina en la tormenta, que podría desempeñar «un papel en la generación de estos misteriosos» colores rojos que hacen que la Gran Mancha Roja sea tan emblemática, dijo Leigh Fletcher, coautora del estudio y profesora de ciencias planetarias. en la Universidad de Londres en el Reino Unido. Leicester, en un comunicado de prensa.

Los científicos de la NASA utilizan el ojo agudo del Hubble para rastrear el comportamiento de la tormenta una vez al año como parte del programa Outer Planet Atmospheres Legacy, u OPAL, dirigido por Simon. Los científicos utilizan este programa para observar los planetas exteriores de nuestro sistema solar y observar cómo cambian con el tiempo.

Pero las nuevas observaciones se tomaron por separado como parte de un programa dedicado a estudiar la Gran Mancha Roja con más detalle, observando la evolución de la tormenta durante unos meses, en lugar de una sola instantánea anual.

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«Para el ojo inexperto, las nubes rayadas de Júpiter y su famosa tormenta roja pueden parecer estáticas, estables y durar muchos años», dijo Fletcher. “Pero una inspección más cercana revela una variabilidad increíble, con patrones climáticos caóticos tan complejos como cualquier cosa que tengamos aquí en la Tierra. Los científicos planetarios han estado luchando durante años para detectar patrones en esta variación, cualquier cosa que pueda darnos una idea de la física detrás de este complejo sistema.

Fletcher no participó en el nuevo estudio.

La información obtenida de las observaciones del programa de las tormentas más grandes de nuestro sistema solar puede ayudar a los científicos a comprender cómo puede ser el clima en los exoplanetas que orbitan otras estrellas. Este conocimiento puede ampliar su comprensión de los procesos climáticos más allá de los que conocemos en la Tierra.

El equipo de Simon utilizó imágenes de alta resolución del Hubble para examinar en detalle los cambios de tamaño, forma y color de la Gran Mancha Roja.

«Cuando miramos más de cerca, vemos que muchas cosas cambian día a día», dijo Simon.

Los cambios incluyeron un brillo del núcleo de la tormenta a medida que la Gran Mancha Roja alcanza su mayor tamaño a medida que oscila.

«A medida que acelera y desacelera, el GRS empuja contra las ventosas corrientes en chorro al norte y al sur», dijo el coautor del estudio Mike Wong, científico planetario de la Universidad de California en Berkeley, en un comunicado de prensa. «Es como un sándwich en el que las rebanadas de pan se ven obligadas a expandirse cuando hay demasiado relleno en el medio».

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En Neptuno, las manchas oscuras pueden desplazarse por el planeta ya que no hay fuertes corrientes en chorro que las mantengan en su lugar, dijo Wong, mientras que la Gran Mancha Roja está atrapada entre corrientes en chorro en una latitud sur en Júpiter.

Los astrónomos han notado una reducción de la Gran Mancha Roja desde que comenzó el programa OPAL hace una década y predicen que continuará reduciéndose hasta que alcance una forma estable y menos alargada, lo que podría reducir el tamaño de la oscilación de la Gran Mancha Roja.

«En este momento, está demasiado lleno su banda de latitud relativa al campo de viento. Una vez que se estreche dentro de esa banda, los vientos realmente lo mantendrán en su lugar”, dijo Simon.

El seguimiento de los cambios en la tormenta puede ayudar a los científicos a comprender mejor los procesos que tienen lugar en la atmósfera de Júpiter.

El nuevo estudio del Hubble completa aún más las piezas del rompecabezas de la Gran Mancha Roja, dijo Fletcher. Si bien los científicos saben que la deriva de la tormenta hacia el oeste tiene una oscilación inexplicable durante 90 días, el patrón de aceleración y desaceleración no parece cambiar incluso cuando la tormenta amaina, dijo.

«Al observar el GRS durante unos meses, el Hubble demostró que el propio anticiclón cambia de forma junto con esta oscilación», dijo Fletcher. “El cambio de forma es importante porque puede afectar la forma en que el borde del vórtice interactúa con otras tormentas que pasan. Además de las magníficas imágenes del Hubble, este estudio muestra el poder de observar sistemas atmosféricos durante largos períodos de tiempo. Se necesita este tipo de seguimiento para detectar estas tendencias, y está claro que cuanto más se mira, más estructura se ve en esta época caótica.

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Los científicos descubren un misterioso 'sexto sentido' escondido en los geckos: ScienceAlert

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Los científicos descubren un misterioso 'sexto sentido' escondido en los geckos: ScienceAlert

Los animales han desarrollado una variedad de sentidos extraordinarios, dignos de los superhéroes. Los científicos ahora han descubierto que los geckos tienen un «sexto sentido» oculto que les permite captar vibraciones profundas y débiles.

Como otros lagartos, los gecos tokay (gecko gecko) tienen una audición especializada para sonidos de frecuencias más altas: son el mas sensible entre 1.600 y 2.000 Hertz, pero puede oír por encima de 5.000 Hertz.

Sin embargo, es sólo cuestión de usar sus viejos oídos normales. Dos investigadores de la Universidad de Maryland en EE.UU. han descubierto que los geckos tokay también pueden utilizar una estructura diferente, normalmente no asociada a la audición, para detectar vibraciones a frecuencias mucho más bajas, entre 50 y 200 Hercios.

El sáculo es una parte del oído interno que desempeña un papel clave en el equilibrio y en el seguimiento de la posición de la cabeza y el cuerpo. Esta estructura se conserva en peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos, pero sólo los dos primeros la utilizaban para oír. Ahora parece que al menos algunos reptiles también pueden hacerlo.

“El oído, tal como lo conocemos, escucha sonidos en el aire” explica catherine carrbiólogo y coautor del nuevo estudio. “Pero este antiguo camino interno, generalmente relacionado con el equilibrio, ayuda a los geckos a detectar vibraciones que pasan a través de medios como el suelo o el agua.

Esta vía existe en anfibios y peces, y ahora hay evidencia de que también se conserva en lagartos. Nuestros hallazgos arrojan luz sobre cómo evolucionó el sistema auditivo desde lo que se ve en los peces hasta lo que se ve en los animales terrestres, incluidos los humanos. »

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Carr y el primer autor, el biólogo Dawei Han, estudiado de cerca los cerebros de los geckos tokay y descubrieron que el sáculo está directamente conectado a un grupo de neuronas, llamadas vestibularis ovalis (VeO), en el rombencéfalo.

Estas neuronas VeO no reciben información de otras estructuras del oído interno. Luego, la información se transmite al mesencéfalo auditivo, donde el animal percibiría las vibraciones simultáneamente con el sonido.

Para confirmar el papel del sáculo en la audición, los investigadores utilizaron electrodos de tungsteno para controlar la respuesta de las unidades VeO a las vibraciones a través de una plataforma. Aumentaron lentamente las vibraciones de 10 a 1000 Hertz y descubrieron que las neuronas eran más sensibles a frecuencias entre 50 y 200 Hertz, alcanzando un máximo alrededor de 100 Hertz.

Finalmente, probaron si las unidades VeO simplemente “escuchaban” los sonidos profundos y retumbantes producidos por el dispositivo de vibración a través de los canales auditivos típicos. El equipo entregó estímulos sonoros a los oídos de los animales, en las mismas frecuencias pero a un volumen más alto y, efectivamente, no detectaron respuesta de las unidades VeO.

Ilustración de la configuración experimental y los resultados. (Han y Carr, Informes celulares2024)

Esto convierte al gecko tokay en el primer amniota (el clado que comprende todos los reptiles, aves y mamíferos) que se sabe que utiliza el sáculo para este propósito.

Dicho esto, todavía tienen que encontrar una razón conductual obvia por la cual estos lagartos tienen receptores de vibración específicos en sus cabezas. Los geckos Tokay son criaturas notoriamente ruidosas y sus fuertes llamadas están dentro del rango de frecuencia de su audición habitual. Pero Han y Carr plantean la hipótesis de que podrían utilizarlo para detectar los débiles ruidos del viento, la lluvia y los depredadores.

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Y puede que no sea el único: un estudio rápido reveló estructuras que se parecen al VeO en algunas otras especies de lagartos y serpientes, lo que sugiere que este superpoder podría ser relativamente común entre los reptiles. Según el equipo, se necesitarán más estudios para confirmar esto.

Pero no hay amor por nosotros, los mamíferos. Nuestras conexiones sáculo/rombencéfalo son mucho más débiles y se cree que desempeñan un papel principalmente en la supresión de sonidos autogenerados y el seguimiento de la posición de nuestra cabeza. Pero a los reptiles, este sexto sentido les podría ayudar de varias maneras.

«Se pensaba que muchas serpientes y lagartos eran 'mudos' o 'sordos' en el sentido de que no emitían sonidos o no podían oírlos bien». Dijo Han..

«Pero resulta que potencialmente podrían comunicarse a través de señales vibratorias utilizando esta vía sensorial, lo que realmente cambia la forma en que los científicos piensan sobre la percepción animal en general».

La investigación fue publicada en la revista. Informes celulares.

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