Representación artística de la dependencia del ángulo de patada de las oscilaciones de electrones cuánticos detectadas en YPtBi. Crédito: Johnpierre Paglione/QMC
Uno de los mayores logros de la física cuántica ha sido reformular nuestra visión del átomo. Fuera estaba el modelo de principios del siglo XX de un sistema solar en miniatura, en el que los electrones giraban alrededor de un núcleo sólido. En cambio, la física cuántica ha demostrado que los electrones viven una vida mucho más interesante, enrollándose alrededor del núcleo en nubes que parecen globos diminutos. Estos globos se conocen como orbitales atómicos y vienen en todo tipo de formas diferentes: perfectamente redondos, bilobulados, en forma de trébol. El número de lóbulos en la bola indica cuánto gira el electrón alrededor del núcleo.
es bueno para el individuo átomos, pero cuando los átomos se unen para formar algo sólido, como una pieza de metal, por ejemplo, los electrones más externos de los átomos pueden unirse y perder de vista el núcleo del que provienen, formando muchos globos de gran tamaño que cubren toda la pieza de metal. Dejan de dar vueltas alrededor de sus núcleos y fluir a través del metal para transportar corrientes eléctricas, eliminando la diversidad de globos multilobulados.
Hoy, investigadores del Quantum Materials Center (QMC) de la Universidad de Maryland (UMD), en colaboración con teóricos del Condensed Matter Theory Center (CMTC) y el Joint Quantum Institute (JQI), produjeron la primera evidencia experimental de que un metal – y probablemente otros de su clase – tienen electrones que logran mantener una estructura multilobulada más interesante cuando se mueven a través de un sólido. El equipo estudió experimentalmente la forma de estos globos y no encontró una superficie uniforme, sino una estructura compleja. Este metal inusual no solo es fundamentalmente interesante, sino que también podría resultar útil para construir computadoras cuánticas resistentes al ruido.
Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en la revista Investigación del examen físico.
«Cuando descubrí esto por primera vez, estaba muy emocionado», dijo Hyunsoo Kim, ex investigador postdoctoral en QMC y autor principal del trabajo. «Pero llevó años estudiarlo por completo, porque no es un concepto convencional y además experimentalmente muy difícil de recopilar». datos de alta calidad.»
En 2011, el equipo descubrió por primera vez que el metal en cuestión, el bismuto de itrio platino, o YPtBi, podría convertirse en un superconductor. Algunos materiales se vuelven superconductores a temperaturas lo suficientemente bajas, perdiendo toda resistencia a la corriente eléctrica. YPtBi era un candidato improbable para la superconductividad porque tiene muchos menos electrones móviles y portadores de corriente que la mayoría. superconductores. Pero, para sorpresa de los investigadores, aun así se convirtió en un superconductor. Además, la forma en que se comportó cuando se expuso a un campo magnético demostró que no era un superconductor ordinario.
En ese momento, los investigadores sospecharon que la culpa era de la forma de los orbitales de los electrones y concluyeron que los electrones que giran y hacen más círculos en el espacio, es decir, los electrones con un momento angular más alto, formaron un estado de superconductividad sin precedentes.
“Tuvimos lo que yo llamaría evidencia circunstancial de que la superconductividad se compone de estos pares de electrones de mayor momento angular”, dice Johnpierre Paglione, profesor de física de la UMD, director de QMC y jefe del grupo experimental de esta cooperación. . «Pero realmente no había evidencia directa de estos electrones de alto momento angular».
Para recopilar evidencia más directa en los nuevos experimentos, el equipo aumentó la temperatura y estudió el material en su estado normal, no superconductor. Luego realizaron una medición clásica que traza algo parecido a la órbita atómica colectiva de todos los electrones que flotan en el metal.
Los orbitales atómicos en diferentes valores de momento angular (marcados por números) forman una variedad de formas. Crédito: adaptado de Geek3, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons
Mirando dentro de un metal, uno ve átomos ordenados en ordenadas cuadrículas repetitivas, llamadas red cristalina. En un cristal, los orbitales atómicos de los electrones más externos se transforman entre sí. Esto permite que los electrones se alejen de su núcleo original y lleven corriente a través del metal. Dentro de este marco sólido, todavía existe una versión de globos orbitales, pero es más común verlos no en el espacio, donde hay muchos orbitales enormes y difíciles de manejar, sino en términos de velocidad y dirección de los electrones en movimiento. Los electrones que se mueven más rápido en el cristal forman su propio globo, un análogo colectivo de los orbitales atómicos conocido como la superficie de Fermi.
La forma de la superficie de Fermi refleja la estructura del cristal subyacente, que generalmente no se parece a la estructura orbital de los átomos individuales. Pero para materiales como YPtBi con muy pocos electrones móviles, la superficie de Fermi no es muy grande. Debido a esto, conserva algunas de las propiedades de los electrones que apenas se mueven, que se encuentran en el centro de la superficie de Fermi.
«El hecho de que la naturaleza encuentre arreglos atómicos contrarios a la intuición que permiten que la superficie de Fermi retenga las firmas orbitales atómicas es bastante genial y complejo», dice el codirector y miembro del JQI Jay Deep Sau, profesor asociado de física en la UMD e investigador teórico. colaborador en el nuevo periódico.
Para descubrir esta superficie de Fermi fría y contraria a la intuición, los investigadores pegaron un cristal de YPtBi dentro de un campo magnético y midieron la corriente que fluía a través del cristal mientras sintonizaban el campo. Al girar la dirección de campo magnético, pudieron mapear la velocidad de los electrones más rápidos en todas las direcciones. Encontraron que, similar a un orbital atómico de mayor momento angular, la superficie de Fermi tiene una forma compleja, con picos y valles en ciertas direcciones. La gran simetría del cristal en sí mismo normalmente conduciría a una superficie de Fermi con forma de bola más uniforme, por lo que fue sorprendente encontrar una estructura más complicada. Esto indicó la posibilidad de que los electrones colectivos exhibieran algo de la naturaleza de momento angular más alto de orbitales atómicos.
De hecho, los cálculos teóricos realizados por el equipo de CMTC mostraron que los resultados experimentales coincidían con un modelo de alto momento angular, lo que llevó al equipo a reclamar la primera observación experimental de un metal de alto momento angular. El equipo advierte que incluso esta evidencia experimental aún puede estar incompleta. Lo que midieron no solo depende de la superficie de Fermi, sino también de otras propiedades de los electrones, como su masa efectiva y la distribución de sus velocidades. En su trabajo, el equipo investigó sistemáticamente la dependencia del ángulo de estas otras cantidades y demostró que es muy poco probable que provoquen los picos y depresiones observados.
Además de ser fundamentalmente nuevo, este metal de mayor momento angular tiene aplicaciones potenciales para la computación cuántica. Hay predicciones de que algunos estados superconductores exóticos podrían dar lugar a propiedades que no se ven afectadas por el ruido que se produce en un punto determinado. Estas propiedades podrían codificar bits cuánticos, lo que podría permitir la creación de computadoras cuánticas mucho más robustas. Queda por ver si YPtBi es exótico en el buen sentido para que eso suceda, pero el nuevo trabajo es un paso importante para comprenderlo.
«Hay muchas piezas en el rompecabezas para entender exactamente qué tipo de superconductor tienes y si puedes explotarlo para hacer computación cuántica», dice Paglione. «Hay desafíos experimentales para obtener el resto de las piezas del rompecabezas. Pero creo que hemos recorrido un largo camino».
Más información:
Hyunsoo Kim et al, Oscilaciones cuánticas de la superficie de Fermi j = 3/2 en el semimetal topológico YPtBi, Investigación del examen físico (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033169
Cotizar: Electrons Take New Shape Inside Unconventional Metal (10 de enero de 2023) Consultado el 11 de enero de 2023 en https://phys.org/news/2023-01-electrons-unconventional-metal.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.
Los investigadores de Caltech muestran que la energía se puede transmitir de forma inalámbrica a través del espacio; las implicaciones son enormes – Redlands Daily Facts
Los científicos de Caltech han puesto en órbita un prototipo de demostración de energía solar espacial como parte de un ambicioso esfuerzo para recolectar energía solar en el espacio y enviar esa energía de regreso a la Tierra, dijeron funcionarios de la Universidad de Pasadena. (Imagen cortesía)
Un panel solar en un laboratorio de Space Solar Power Project en Caltech. Donald Bren donó $100 millones a este proyecto. (Cortesía de Caltech)
Bosquejo de un panel solar del Proyecto de Energía Solar Espacial en Caltech. Donald Bren donó $100 millones a este proyecto. (Cortesía de Caltech)
Una mirada a la esbeltez de los paneles solares para el proyecto de energía solar espacial de Caltech. Donald Bren ha donado más de $100 millones para financiar la investigación de Caltech. (Cortesía de Caltech)
Primer plano microscópico de la tecnología utilizada en el proyecto de energía solar espacial de Caltech. Donald Bren ha donado más de $100 millones para financiar la investigación. (Cortesía de Caltech)
En una especie de momento galáctico a lo Thomas Edison, el equipo de Caltech demostró, por primera vez, la capacidad de transmitir energía de forma inalámbrica a través del espacio y enviar una cantidad detectable a la Tierra.
El experimento solar espacial aún se encuentra en sus etapas de prototipo, pero las implicaciones son potencialmente revolucionarias, dijo Ali Hajimiri, profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica en Caltech y codirector del equipo de Space Solar Power Project.
«De la misma manera que Internet ha democratizado el acceso a la información, esperamos que la transferencia de energía inalámbrica democratice el acceso a la energía», dijo Hajimiri, investigador principal del experimento, en un comunicado que anuncia el hito. “No se necesitará ninguna infraestructura de transmisión de energía en el suelo para recibir esta electricidad. Esto significa que podemos enviar energía a regiones y áreas remotas devastadas por guerras o desastres naturales.
Agregó: “Hasta donde sabemos, nadie ha demostrado nunca la transferencia de energía inalámbrica en el espacio, incluso con costosas estructuras rígidas.
Los ingenieros bajan con cuidado la parte DOLCE del Demostrador de energía solar espacial hacia la nave espacial Vigoride construida por Momentus. Crédito: Caltech/Space Solar Power Project
De hecho, demostrar con éxito que la energía se puede transmitir de forma inalámbrica a través del espacio abre la puerta para aprovechar la energía del Sol y enviarla a la Tierra.
Con el combustible para cohetes porque el proyecto fue un combustible político: para luchar contra el cambio climático, el gobierno de EE. UU. se comprometió a hacer que su sector energético esté libre de contaminación para 2035.
Tal como están las cosas, las fuentes de energía renovable actuales son incompatibles con los combustibles fósiles. Las células solares, en particular, sufren la atmósfera, las condiciones climáticas y la noche.
Pero durante años, los investigadores se han ocupado de lo que ha sido una solución difícil de alcanzar: en desarrollo durante décadas, la energía solar espacial, el proceso de aprovechar la energía solar en el espacio y transmitir energía lumínica a la tierra utilizando satélites de energía solar, no era solo cosa de ciencia. -fi.
Hace diez años, Caltech formó el Proyecto de energía solar espacial, que culminó en una etapa de lanzamiento el 3 de enero. El lanzamiento confirmó las esperanzas para el futuro de una tecnología que alguna vez se consideró técnicamente posible pero económicamente inviable.
Los funcionarios promocionan el proyecto SSPP de Caltech como un ejemplo de investigación aeroespacial moderna del sector privado en curso.
El proyecto fue financiado en su totalidad por fuentes privadas, desarrollado en una institución privada, y los experimentos fueron lanzados por Momentus, una empresa aeroespacial privada, montada a bordo de una plataforma Momentus.
Pero el proyecto realmente despegó en 2011 cuando el desarrollador inmobiliario multimillonario Donald Bren se acercó a Caltech con una propuesta para financiar la investigación de energía solar espacial. Bren se ha comprometido a donar más de $100 millones durante la vida del proyecto.
Además, Northrup Grumman Corporation, una empresa militar y aeroespacial, lanzó $12,5 millones.
Bren, en el anuncio de la semana pasada, dijo que este paso era un gran paso adelante.
«El arduo trabajo y la dedicación de los brillantes científicos de Caltech han hecho avanzar nuestro sueño de proporcionar al mundo energía abundante, confiable y asequible para el beneficio de toda la humanidad», dijo Bren en el anuncio.
El presidente de Irvine Co., Donald Bren, ha donado más de $100 millones a Caltech para estudiar la energía solar a ritmo espacial. En esta foto de octubre de 2018 están, de izquierda a derecha, Sergio Pellegrino (Joyce y Kent Kresa Profesor de Aeronáutica y Profesor de Ingeniería Civil; Científico Investigador Principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro y codirector del proyecto de Energía Solar Basada en el Espacio); Brigitte Bren; donald bren; Ali Hajimiri (Profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica y Codirector del Proyecto); y Richard Madonna, project manager del proyecto. (Cortesía de Caltech)
Pero, ¿cómo funciona todo?
El exitoso experimento, conocido como MAPLE, abreviatura de Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment, demostró dos funciones clave: la capacidad de enviar un haz concentrado de energía a los receptores a voluntad y la capacidad de transmitir energía a una ubicación específica en Tierra.
La energía solar espacial consiste en recolectar energía solar en el espacio, convertir esta energía en ondas electromagnéticas y transmitir estas ondas a receptores en la Tierra. La ventaja es que las células solares en el espacio pueden recolectar de ocho a nueve veces más energía que las células solares en la Tierra al eliminar las ineficiencias de la atmósfera, las estaciones y el ciclo día-noche.
El primero de los experimentos MAPLE probó la capacidad de la tecnología para dirigir con éxito un haz de energía a una ubicación específica en el duro entorno del espacio.
Para hacer esto, el equipo de Hajimiri dirigió un haz de microondas desde los conjuntos de transmisores en el espacio a uno de los dos LED que también están a bordo del satélite. Cada LED se encendía individualmente cuando las microondas se dirigían a su receptor, lo que demostraba que el haz podía apuntar con precisión a los objetivos.
Un segundo experimento consistió en dirigir el haz de energía de MAPLE a un receptor en el techo del laboratorio de Moore en el campus de Caltech.
Al asegurarse de que el receptor en la Tierra recogiera la señal en un tiempo y una frecuencia predeterminados, los investigadores de Caltech pudieron concluir que habían recibido con éxito la energía en la Tierra del experimento en órbita.
El equipo de SSPP visualiza un futuro en el que flotas de miles de satélites solares ligeros orbitan el globo, recolectando energía solar y transmitiéndola a receptores en tierra.
Junto con el experimento MAPLE, el satélite Momentus también alberga experimentos que prueban tecnologías fotovoltaicas ultraligeras y estructuras de naves espaciales ligeras y flexibles, las cuales serán parte integral de la realización de esta visión. El equipo SSPP está recopilando resultados adicionales de MAPLE, así como datos de otros experimentos a bordo.
El presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum, dijo que el hito anunciaba «una ganancia notable para la humanidad: un mundo impulsado por energía renovable ininterrumpida».
PorDepartamento de Energía de EE. UU. 6 de junio de 2023
Una caricatura del plasma de quarks y gluones (pequeños círculos rojos, verdes y azules) producido durante una colisión relativista de iones pesados entre dos núcleos pesados (círculos blancos). La colisión produce un quark pesado (Q rojo) y un par quark-antiquark pesado (QO verde). Crédito: Imagen cortesía de Bruno Scheihing-Hitschfeld y Xiaojun Yao
Los científicos han dado un importante paso adelante en el estudio de las propiedades de los quarks y gluones, las partículas que forman los núcleos atómicos, al resolver un problema de larga data con un método de cálculo teórico conocido como «calibre axial».[{» attribute=»»>MIT and University of Washington researchers found that the method had mistakenly suggested two properties of quark-gluon plasma were identical. They also made a prediction on gluon distribution measurement, set to be tested in future experiments with the Electron-Ion Collider.
The Science
The building blocks of atomic nuclei are protons and neutrons, which are themselves made of even more fundamental particles: quarks and gluons. These particles interact via the “strong” force, one of the four fundamental forces of nature. They make up the nuclei at the heart of every atom. They also make up forms of hot or dense nuclear matter that exhibit exotic properties. Scientists study the properties of hot and cold nuclear matter in relativistic heavy ion collision experiments and will continue to do so using the future Electron-Ion Collider. The ultimate goal is to understand how complex forms of matter emerge from elementary particles affected by strong forces.
The Impact
Theoretical calculations involving the strong force are complex. One aspect of this complexity arises because there are many ways to perform these calculations. Scientists refer to some of these as “gauge choices.” All gauge choices should produce the same result for the calculation of any quantity that can be measured in an experiment. However, one particular choice, called “axial gauge,” has puzzled scientists for years because of difficulties in obtaining consistent results upon making this choice. This recent study resolves this puzzle and paves the way for reliable calculations of hot and cold nuclear matter properties that can be tested in current and future experiments.
Summary
The exotic form of nuclear matter that physicists study in relativistic heavy ion collisions is called the quark-gluon plasma (QGP). This form of matter existed in the early universe. Physicists explore its properties in heavy ion collision experiments by recreating the extremely high temperatures last seen microseconds after the Big Bang. By analyzing experimental data from the collisions and comparing them with theoretical calculations, physicists can ascertain various properties of the QGP. Using a calculation method called “axial gauge” had previously seemed to imply that two QGP properties that describe how heavy quarks move through the QGP were the same.
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Washington have now found this implication to be incorrect. The study also carefully analyzed the subtle conditions for when axial gauge can be employed and explained why the two properties are different. Finally, it showed that two distinct methods for measuring how gluons are distributed inside nuclei must yield different results. Gluons are the particles that carry the strong force, This prediction will be tested at the future Electron-Ion Collider.
Reference: “Gauge Invariance of Non-Abelian Field Strength Correlators: The Axial Gauge Puzzle” by Bruno Scheihing-Hitschfeld and Xiaojun Yao, 2 February 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.052302
This work is supported by the Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics and by the Office of Science, Office of Nuclear Physics, InQubator for Quantum Simulation (IQuS).
¿Qué tiene 14 lados, está lleno de curvas y puede cubrir perfectamente una superficie sin huecos ni superposiciones? No es un acertijo, es un «vampiro de Einstein».
En marzo, un técnico de impresión jubilado llamado David Smith se encontró con un notable descubrimiento en el mundo de la matemáticas. Encontró un Forma de 13 lados que podría cubrir completamente una superficie sin repetirla. La forma, apodada «el sombrero» por su forma holgadamente afieltrada, fue la culminación de décadas de búsqueda por parte de matemáticos de todo el mundo.
Desde 1961 los matemáticos se preguntaban si tal forma pudiera existir. Al principio, los matemáticos encontraron un conjunto de 20 426 formas que podían encajar mientras creaban un patrón que nunca se repite (a diferencia de las baldosas en el piso de una cocina, que crean un patrón repetitivo). Eventualmente, los matemáticos encontraron un conjunto de 104 formas que podían crear ese mosaico sin repetición.
Las formas del medio y la derecha son ejemplos de «Spectra» — formas de 14 lados que se pueden colocar en mosaico sin fin sin crear un patrón repetitivo. (Crédito de la imagen: Smith et al.)
Luego, en la década de 1970, el físico y premio Nobel Roger Penrose encontró un par de formas que juntas creaban un mosaico que no se repetía. Y durante décadas, los matemáticos se preguntaron si se podía hacer el mismo truco con una sola forma. Esta forma semimítica, conocida oficialmente como monotilo aperiódico, se conoció como «el einstein», que significa «una piedra» en alemán.
Pero a pesar de toda la celebración que rodeó el descubrimiento de Smith de un mosaico de Einstein, hubo una pequeña mosca en el ungüento. Para crear mosaicos que no se repitan, el «sombrero» tuvo que trabajar con su imagen especular. Técnicamente es la misma forma, solo que al revés, pero algunos han argumentado que Smith realmente no encontró un einstein real.
Ahora, sin embargo, Smith y sus colegas han dejado de lado esas objeciones: han encontrado una forma que puede cubrir una superficie sin repetir o voltear. Describieron la nueva forma el 28 de mayo en un artículo publicado en Preprint Database. arXivaunque aún no ha sido revisado por pares.
El equipo llamó a su forma el «Espectro», un tributo a los vampiros que no pueden ver sus propios reflejos y, por lo tanto, no necesitan un espejo.
«En el mosaico plano, es bastante estándar que los mosaicos se puedan reflejar; sin embargo, algunas personas no estaban contentas con el hecho de que el sombrero de monotile aperiódico requiere reflejos para mosaico el plano», escribió el coautor Joseph Samuel Meyers en Mastodonte. «En nuestra nueva preimpresión, presentamos Spectre, el primer ejemplo de un vampiro de Einstein: un monotile aperiódico que tesela el plano sin reflejos».
Para encontrar la forma fantasmal, el equipo comenzó con la forma original de «sombrero» y le agregó un lado adicional. Esta nueva forma aún requería que su imagen especular estuviera completamente en mosaico, pero los investigadores descubrieron que al convertir los bordes rectos de la forma de 14 lados en bordes curvos, podían prescindir de las imágenes especulares y trabajar con una sola forma.
:quality(75)/cloudfront-us-east-1.images.arcpublishing.com/elcomercio/MIIPR3VPTFEU7CQGR4SAKAV5I4.jpg)
