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Un estado cuántico único de la materia emerge en Columbia

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Un estado cuántico único de la materia emerge en Columbia

Investigadores de la Universidad de Columbia han creado un condensado de Bose-Einstein (BEC) utilizando moléculas de sodio-cesio, enfriadas a sólo cinco nanoKelvin y estables durante dos segundos. Este logro abre posibilidades para explorar diversos fenómenos cuánticos y simular las propiedades cuánticas de materiales complejos. Crédito: SciTechDaily.com

físicos en Universidad de Colombia llevó las moléculas a un nuevo límite ultrafrío y creó un estado de la materia donde reina la mecánica cuántica.

Hay un nuevo BEC en la ciudad que no tiene nada que ver con tocino, huevos y queso. No lo encontrará en su bodega local, sino en el lugar más frío de Nueva York: el laboratorio del físico colombiano Sebastián Will, cuyo grupo experimental se especializa en empujar átomos y moléculas a temperaturas de unas pocas fracciones de grado por encima. cero absoluto.

Escribir en NaturalezaEl laboratorio Will, con el apoyo del colaborador teórico Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, logró crear un estado cuántico único de la materia llamado condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas.

Avance en los condensados ​​de Bose-Einstein

Su BEC, enfriado a sólo cinco nanoKelvin, o alrededor de -459,66°F, y estable durante dos segundos sorprendentemente largos, está compuesto de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen carga tanto positiva como negativa. La distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que conforman la física más interesante, señaló Will.

La investigación que el laboratorio Will está entusiasmado de realizar con sus BEC moleculares incluye la exploración de una serie de fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar fricción. También esperan convertir sus BEC en simuladores capaces de recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

Un estado molecular de la materia cuántica.

Utilizando microondas, los físicos de Columbia crearon un condensado de Bose-Einstein, un estado único de la materia, a partir de moléculas de sodio y cesio. Crédito: Will Lab, Universidad de Columbia/Myles Marshall

«Los condensados ​​moleculares de Bose-Einstein abren áreas de investigación completamente nuevas, desde la comprensión de la física verdaderamente fundamental hasta el avance de poderosas simulaciones cuánticas», dijo. «Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo».

Es un sueño hecho realidad para el laboratorio Will y un sueño que lleva décadas gestándose para la comunidad de investigación de temperaturas ultrafrías en su conjunto.

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Moléculas ultrafrías, un siglo en desarrollo

La ciencia de los BEC se remonta a un siglo atrás, gracias a los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. En una serie de artículos publicados en 1924 y 1925, predijeron que un grupo de partículas enfriadas hasta casi detenerse se fusionarían en una superentidad única y más grande con propiedades y comportamientos compartidos dictados por las leyes de la mecánica cuántica. Si se pudieran crear BEC, ofrecerían a los investigadores una plataforma atractiva para explorar la mecánica cuántica en una escala más manejable que la de átomos o moléculas individuales.

Han pasado unos 70 años desde estas primeras predicciones teóricas, pero los primeros BEC atómicos se crearon en 1995. Esta hazaña fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 2001, justo cuando Will hacía su debut en física en la Universidad de Mainz. en Alemania. Actualmente, los laboratorios fabrican de forma rutinaria BEC atómicos a partir de varios tipos diferentes de átomos. Estos BEC han ampliado nuestra comprensión de conceptos como la naturaleza ondulatoria de la materia y los superfluidos y han llevado al desarrollo de tecnologías como los microscopios cuánticos de gases y los simuladores cuánticos, por nombrar algunos.

Equipo BEC de la Universidad de Columbia

De izquierda a derecha: el científico investigador asociado Ian Stevenson; el estudiante de doctorado Niccolò Bigagli; Weijun Yuan, estudiante de doctorado; Boris Bulatovic, estudiante universitario; Siwei Zhang, estudiante de doctorado; y el investigador principal Sebastian Will. Sin foto: Tijs Karman. Crédito: Universidad de Columbia

Pero los átomos son, en general, relativamente simples. Son objetos redondos y generalmente no presentan interacciones que puedan surgir por polaridad. Desde la creación de los primeros BEC atómicos, los científicos han querido crear versiones más complejas basadas en moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples hechas de dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí habían resultado difíciles de enfriar por debajo de la temperatura necesaria para formar un BEC adecuado.

El primer avance se produjo en 2008, cuando Deborah Jin y Jun Ye, físicos de JILA en Boulder, Colorado, enfriaron un gas compuesto de moléculas de potasio y rubidio a unos 350 nanoKelvin. Estas moléculas ultrafrías han demostrado ser útiles en los últimos años para realizar simulaciones cuánticas y estudiar colisiones moleculares y química cuántica, pero para cruzar el umbral BEC se necesitaban temperaturas aún más bajas.

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En 2023, el laboratorio Will creó el primer gas ultrafrío de su molécula preferida, sodio-cesio, utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulaciones magnéticas, similar al enfoque de Jin y Ye. Para hacerlo más frío, instalaron microondas.

Innovaciones con microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética con una larga trayectoria en Colombia. En la década de 1930, el físico Isidor Isaac Rabi, que luego recibiría el Premio Nobel de Física, llevó a cabo un trabajo pionero sobre las microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. «Rabi fue uno de los primeros en controlar los estados cuánticos de las moléculas y fue un pionero en la investigación de microondas», dijo Will. “Nuestro trabajo es parte de esta tradición de 90 años. »

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas a la hora de recalentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, por tanto, forman complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula que les impiden colisionar, una idea propuesta por Karman, su colaborador en Holanda. Debido a que las moléculas están protegidas de colisiones con pérdidas, sólo las más calientes pueden eliminarse preferentemente de la muestra, el mismo principio físico que enfría tu taza de café cuando la soplas, explicó el autor Niccolò Bigagli. Las moléculas restantes estarán más frías y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo cerca de crear un BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en física natural quien introdujo el método de protección contra microondas. Pero se necesitaba otro giro experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el sodio-cesio finalmente cruzó el umbral BEC, un objetivo que el laboratorio Will había fomentado desde su apertura en Columbia en 2018.

«Fue un cierre fantástico para mí», dijo Bigagli, quien obtuvo su doctorado en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. “Pasamos de ningún laboratorio a estos fantásticos resultados. »

Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede manipular la orientación de las moléculas. Esto, a su vez, proporciona una forma de controlar cómo interactúan, algo que el laboratorio está explorando actualmente. «Al controlar estas interacciones dipolares, esperamos crear nuevos estados y fases cuánticas de la materia», dijo Ian Stevenson, coautor y becario postdoctoral en Columbia.

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Se abre un nuevo mundo para la física cuántica

Ye, un pionero de la ciencia ultrafría con sede en Boulder, considera que los resultados son una excelente pieza de ciencia. «El trabajo tendrá impactos significativos en una serie de campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la exploración de materiales cuánticos altamente correlacionados», comentó. «El experimento de Will implica un control preciso de las interacciones moleculares para dirigir el sistema hacia el resultado deseado: un logro maravilloso en la tecnología de control cuántico».

El equipo de Columbia, por su parte, está encantado de disponer de una descripción teórica de las interacciones entre moléculas que haya sido validada experimentalmente. «Realmente tenemos una buena idea de las interacciones en este sistema, lo cual también es esencial para los próximos pasos, como explorar la física dipolar de muchos cuerpos», dijo Karman. “Desarrollamos sistemas para controlar las interacciones, los probamos en teoría y los implementamos en el experimento. Realmente ha sido una experiencia increíble ver cómo estas ideas de “protección” contra microondas se hacen realidad en el laboratorio. »

Hay docenas de predicciones teóricas que ahora se pueden probar experimentalmente con BEC moleculares, que según el coprimer autor y estudiante de doctorado Siwei Zhang son bastante estables. La mayoría de los experimentos ultrafríos se llevan a cabo en un segundo, algunos tan cortos como unos pocos milisegundos, pero los BEC moleculares del laboratorio duran más de dos segundos. «Esto realmente nos permitirá estudiar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales con los BEC atrapados en una matriz óptica hecha de láseres. Esto permitiría poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en cristales naturales, señaló Will, lo cual es un área de interés en la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos suelen estar hechos con átomos, pero los átomos tienen interacciones de corto alcance (prácticamente tienen que estar uno encima del otro), lo que limita su capacidad para modelar materiales más complejos. «El BEC molecular introducirá más sabor», dijo Will.

Esto incluye la dimensionalidad, dijo Weijun Yuan, coprimer autor y estudiante de doctorado. “Nos gustaría utilizar BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa de tres dimensiones a dos dimensiones, siempre se puede esperar que surja nueva física”, dijo. Los materiales 2D son un área importante de investigación en Columbia; Tener un sistema modelo hecho de BEC moleculares podría ayudar a Will y sus colegas de materia condensada a explorar fenómenos cuánticos que incluyen la superconductividad, la superfluidez y más.

«Parece que se está abriendo un mundo completamente nuevo de posibilidades», dijo Will.

Referencia: “Observación de la condensación de moléculas dipolares de Bose-Einstein” por Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tijs Karman, Ian Stevenson y Sebastian Will, 3 de junio de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z

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Scarlett Johansson y Channing Tatum protagonizarán la brillante comedia romántica espacial Fly Me To The Moon

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Scarlett Johansson y Channing Tatum protagonizarán la brillante comedia romántica espacial Fly Me To The Moon

Pero luego la cosa se complica. Luego se le pide a Kelly que organice un aterrizaje falso en la Luna. ¿Traicionará la confianza de Cole? Tienes que mirar para descubrirlo.

En una entrevista con GenteScarlett describió su personaje como una «mujer muy moderna que vive en una época en la que a menudo se subestimaba a las mujeres. Ella usa eso a su favor y siempre está unos pasos por delante».

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También habló sobre la singularidad de la película y cómo al público le encantará su naturaleza de “gran idea”.

“No se deriva de nada más, no sigue una fórmula”, afirma. «Creo que el público no ha tenido acceso a una gran película que sea divertida, conmovedora y original desde hace mucho tiempo, y está hambriento de ella. La película es totalmente entretenida y fresca. Estoy muy orgulloso de ella por su novedad y su alcance.

Llévame a la luna fundición

Junto a Channing y Scarlett, Woody Harrelson (que interpreta a un personaje bastante controvertido que mueve los hilos de la NASA), El naranja es el nuevo negro está protagonizada por Nick Dillenburg, Anna García, Ray Romano, Noah Robbins, Jim Rash, Colin Woodell, Christian Zuber y Donald Elise Watkins.

La imagen puede contener Channing Tatum Accesorios de aeropuerto Ropa formal Corbata Persona adulta Gafas Bolígrafo Adolescente y pulsera

Daniel McFadden

Llévame a la luna fecha de lanzamiento

Podrás verlo en los cines del Reino Unido a partir del 12 de julio. No hace mucho. Luego debería estar disponible en Apple TV+ poco después.

Llévame a la luna trailer

Mire a continuación para echar un vistazo al desvanecido encanto de la película:

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Los agujeros negros formaron quásares menos de mil millones de años después del Big Bang

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Los agujeros negros formaron quásares menos de mil millones de años después del Big Bang

Los agujeros negros supermasivos parecen estar presentes en el centro de cada galaxia y se remontan a algunas de las primeras galaxias del Universo. Y no tenemos idea de cómo llegaron allí. No debería serles posible pasar de restos de supernovas a tamaños supermasivos tan rápido como lo hacen. Y no conocemos ningún otro mecanismo que pueda formar algo lo suficientemente grande como para que un crecimiento extremo no sea necesario.

La aparente imposibilidad de que existieran agujeros negros supermasivos en el Universo temprano ya planteaba un problema; El telescopio espacial James Webb no ha hecho más que empeorar las cosas al descubrir ejemplos cada vez más antiguos de galaxias con agujeros negros supermasivos. En el último ejemplo, los investigadores utilizaron Webb para caracterizar un cuásar impulsado por un agujero negro supermasivo tal como existía unos 750 millones de años después del Big Bang. Y parece increíblemente normal.

retroceder en el tiempo

Los cuásares son los objetos más brillantes del Universo, impulsados ​​por agujeros negros supermasivos. La galaxia que los rodea les proporciona suficiente material para formar brillantes discos de acreción y potentes chorros, los cuales emiten grandes cantidades de radiación. A menudo están parcialmente envueltos en polvo, que brilla al absorber parte de la energía emitida por el agujero negro. Estos quásares emiten tanta radiación que acaban expulsando por completo parte de la materia cercana a la galaxia.

Así, la presencia de estas características en el Universo temprano nos diría que los agujeros negros supermasivos no sólo estaban presentes en el Universo temprano, sino que también estaban incrustados dentro de galaxias como lo están en tiempos más recientes. Pero fue muy difícil estudiarlos. Para empezar, no hemos identificado muchos; Sólo quedan nueve quásares anteriores a eso, cuando el Universo tenía 800 millones de años. Debido a esta distancia, las características son difíciles de resolver y el corrimiento al rojo causado por la expansión del Universo captura la intensa radiación ultravioleta de muchos elementos y la extiende profundamente hacia el infrarrojo.

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Sin embargo, el telescopio Webb fue diseñado específicamente para detectar objetos en el Universo temprano al ser sensible a las longitudes de onda infrarrojas donde aparece esta radiación. Así, la nueva investigación se basa en señalar al Webb el primero de los primeros nueve cuásares descubiertos, J1120+0641.

Y parece… notablemente normal. O al menos, un poco como los quásares de periodos más recientes de la historia del Universo.

Generalmente normal

Los investigadores analizan la continuidad de la radiación producida por el cuásar y encuentran indicios claros de que está incrustado en una rosquilla de material caliente y polvoriento, como se vio en los cuásares posteriores. Este polvo es ligeramente más caliente que en algunos quásares más recientes, pero esto parece ser una característica común de estos objetos en las primeras etapas de la historia del Universo. La radiación de un disco de acreción también es evidente en el espectro de emisión.

Varias formas de estimar los valores producidos en masa del agujero negro en el área 109 veces la masa del Sol, colocándolo claramente en territorio de agujero negro supermasivo. También hay evidencia, a partir de un ligero desplazamiento hacia el azul de parte de la radiación, de que el cuásar está arrojando material a unos 350 kilómetros por segundo.

Hay algunas rarezas. La primera es que el material también parece caer hacia el interior a una velocidad de unos 300 kilómetros por segundo. Esto podría deberse a la rotación de la materia en el disco de acreción. Pero si ese es el caso, debería corresponder a material que gira hacia nosotros desde el lado opuesto del disco. Esto se ha observado repetidamente en los primeros quásares, pero los investigadores admiten que «el origen físico de este efecto es desconocido».

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Una opción que sugieren como explicación es que todo el cuásar está en movimiento, desplazado de su posición en el centro de la galaxia por una fusión anterior con otro agujero negro supermasivo.

La otra rareza es que también hay una salida muy rápida de carbono altamente ionizado, moviéndose aproximadamente dos veces más rápido que en los quásares posteriores. Esto ya se ha visto antes, pero tampoco hay explicación.

¿Cómo ha ocurrido?

A pesar de sus rarezas, este objeto se parece mucho a los quásares de tiempos más recientes: «Nuestras observaciones demuestran que las complejas estructuras del toro de polvo y del [accretion disk] puede establecerse alrededor de un [supermassive black hole] Menos de 760 millones de años después del Big Bang. »

Y nuevamente, esto plantea un pequeño problema ya que indica la presencia de un agujero negro supermasivo incrustado en su galaxia anfitriona muy temprano en la historia del Universo. Para alcanzar los tamaños aquí observados, los agujeros negros chocan con el llamado límite de Eddington, es decir, la cantidad de materia que pueden absorber antes de que la radiación así producida expulse la materia vecina, cortando así el suministro de alimento del agujero negro.

Esto sugiere dos opciones. La primera es que estos objetos han estado ingiriendo material mucho más allá del límite de Eddington durante la mayor parte de su historia, algo que no hemos observado y que no es en absoluto cierto para este quásar. La otra opción es que empezaran masivamente (alrededor de 104 veces la masa del Sol) y continuó alimentándose a un ritmo más razonable. Pero no sabemos realmente cómo se pudo formar algo tan grande.

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Así pues, el Universo primitivo sigue siendo un lugar bastante confuso.

Astronomía Natural, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Acerca de los DOI).

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El orbitador lunar de la NASA detecta un módulo de aterrizaje chino en la cara oculta de la Luna (foto)

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El orbitador lunar de la NASA detecta un módulo de aterrizaje chino en la cara oculta de la Luna (foto)

El Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA ha echado su primer vistazo a la nave espacial china Chang'e 6 en la cara oculta de la Luna.

EL Chang'e 6 El módulo de aterrizaje está flanqueado por dos cráteres de tamaño similar y se asienta en el borde de un cráter mucho más sutil de unos 50 metros (165 pies) de ancho, informa Mark Robinson, el investigador principal del sistema de cámaras a bordo del LRO.

LRO detectó Chang'e 6 en la cuenca Apollo, al otro lado de La luna el 7 de junio de 2024. El módulo de aterrizaje se ve como un pequeño grupo de píxeles brillantes en el centro de la imagen.

Animación de antes/después que muestra la aparición del módulo de aterrizaje chino Chang'e 6 en la cara oculta de la Luna. El mayor brillo del terreno que rodea el módulo de aterrizaje se debe a las perturbaciones del motor del módulo de aterrizaje y es similar a la zona de explosión que se observa alrededor de otros módulos de aterrizaje lunares. La imagen del antes es del 3 de marzo de 2022 y la imagen del después es del 7 de junio de 2024. (Crédito de la imagen: NASA/GSFC/Universidad Estatal de Arizona)

Tiro de aro

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