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Una nueva fase de la materia

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Una nueva fase de la materia

Los físicos han descubierto una nueva fase de la materia, el «estado líquido de bose quiral». Este estado, descubierto a través de la exploración de la frustración cinética en los sistemas cuánticos, exhibe propiedades sólidas como el espín de electrones inmutable y el entrelazamiento de largo alcance. El descubrimiento, que requiere altos campos magnéticos para la observación, amplía nuestra comprensión del mundo físico y podría tener aplicaciones en la codificación de datos digitales tolerantes a fallas.

Para los físicos experimentales, la frustración cuántica lleva a un descubrimiento fundamental

«El estado líquido de bose quiral» es una nueva fase de la materia, según el profesor Amherst de la UMass.

Un equipo de físicos, incluido el profesor asistente de la Universidad de Massachusetts, Tigran Sedrakyan, anunció recientemente en la revista Naturaleza que han descubierto una nueva fase de la materia. Llamado «el estado quiral de líquido bose», este descubrimiento abre una nueva vía en el esfuerzo de siglos para comprender la naturaleza del mundo físico.

En condiciones cotidianas, la materia puede ser un sólido, un líquido o un gas. Pero una vez que te aventuras más allá de lo cotidiano, a temperaturas que se aproximan[{» attribute=»»>absolute zero, things smaller than a fraction of an atom or which have extremely low states of energy—the world looks very different. “You find quantum states of matter way out on these fringes,” says Sedrakyan, “and they are much wilder than the three classical states we encounter in our everyday lives.”

Sedrakyan has spent years exploring these wild quantum states, and he is particularly interested in the possibility of what physicists call “band degeneracy,” “moat bands” or “kinetic frustration” in strongly interacting quantum matter.

Moat Band Rendering

Rendering of the moat band, which frustrates particles and leads to the chiral bose-liquid state. Credit: Tigran Sedrakyan

Typically, particles in any system bump into each other, and in so doing they cause predictable effects, like billiard balls knocking into each other and then reacting in a predictable pattern. In other words, the effects and the particles are correlated. But in a frustrated quantum system, there are infinite possibilities that stem from the interaction of particles—perhaps the billiard ball levitates or zooms off at an impossible angle—and some of these infinite possibilities can lead to novel quantum states.

What Sedrakyan and his colleagues have done is to engineer a frustration machine: a bilayer semiconducting device. The top layer is electron-rich, and these electrons can move freely. The bottom layer is filled with “holes,” or places that a roving electron can occupy. Then the two layers are brought extremely close together—interatomic close.

If the number of electrons in the top layer and holes in the bottom layer were equal, then you would expect to see the particles acting in a correlated manner, but Sedrakyan and his colleagues designed the bottom layer so that there is a local imbalance between the number of electrons and holes in the bottom layer. “It’s like a game of musical chairs,” Sedrakyan says, “designed to frustrate the electrons. Instead of each electron having one chair to go to, they must now scramble and have many possibilities in where they ‘sit’”.

This frustration kicks off the novel chiral edge state, which has a number of surprising characteristics. For instance, if you cool quantum matter in a chiral state down to absolute zero, the electrons freeze into a predictable pattern, and the emergent charge-neutral particles in this state will all either spin clockwise or counterclockwise. Even if you smash another particle into one of these electrons, or you introduce a magnetic field, you can’t alter its spin—it’s surprisingly robust and can even be used to encode digital data in a fault-tolerant way.

Even more surprising is what happens when an outside particle does smash into one of the particles in the chiral edge state. To return to the billiard-ball metaphor, you would expect to send the eight-ball flying when the cue ball smacks into it. But if the pool balls were in a chiral bose-liquid state, all 15 of them would react in exactly the same way when the eight-ball was struck. This effect is due to the long-range entanglement present in this quantum system.

It is difficult to observe the chiral bose-liquid state, which is why it has remained hidden for so long. To do so, the team of scientists, including theoretical physicists Rui Wang and Baigeng Wang (both of Nanjing University) as well as experimental physicists Lingjie Du (Nanjing University) and Rui-Rui Du (Peking University) designed a theory and an experiment that used an extremely strong magnetic field that is capable of measuring the movements of the electrons as they race for chairs.

“On the edge of the semiconductor bilayer, electrons and holes move with the same velocities,” says Lingjie Du. “This leads to helical-like transport, which can be further modulated by external magnetic fields as the electron and hole channels are gradually separated under higher fields.” The magneto-transport experiments therefore successfully reveal the first piece of evidence of the chiral bose-liquid, which the authors also call the “excitonic topological order” in the published paper.

Reference: “Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers” by Rui Wang, Tigran A. Sedrakyan, Baigeng Wang, Lingjie Du and Rui-Rui Du, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06065-w

This work was supported by the National Key R&D Program of China, the National Natural Science Foundation of China, the Program for Innovative Talents and Entrepreneurs in Jiangsu, the Xiaomi Foundation, the Chinese Academy of Sciences, and the National Science Foundation.

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Nuestro universo puede ser mucho más grande de lo que jamás imaginamos

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Nuestro universo puede ser mucho más grande de lo que jamás imaginamos
Nuestro universo puede ser mucho más grande de lo que jamás imaginamos

El instrumento NIRCam (Cámara de Infrarrojo Cercano) del Telescopio Espacial James Webb de la NASA revela parte de la Vía Láctea. (Foto: NASA, ESA, CSA, STScI y S. Crowe – Universidad de Virginia)

Es bien sabido que nuestro planeta forma parte del vía Lácteay que nuestra galaxia es sólo una pequeña parte del universo. Pero un equipo internacional de investigadores dirigido por astrónomos del Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawaii nos está haciendo repensar el tamaño de este universo.

Tras estudiar los movimientos de 56.000 galaxias, determinaron que nuestra vecindad es mucho más grande de lo que pensábamos inicialmente. Este equipo, llamado Flujos cósmicosYa determinó hace 10 años que la Vía Láctea se encuentra en una cuenca llamada Laniakea. Esta enorme cuenca, que significa «vasto paraíso» en hawaiano, se extiende a lo largo de 500 millones de años luz. Sin embargo, el nueva búsqueda muestra que hay muchas posibilidades de que estemos ubicados en una estructura mucho más grande, que podría ser hasta 10 veces más grande.

Creen que la Vía Láctea está centrada en lo que se llama concentración de Shapley, una región con una increíble cantidad de masa y atracción gravitacional.

«Nuestro universo es como una red gigante, con galaxias dispuestas a lo largo de filamentos y agrupadas en nodos donde las fuerzas gravitacionales las atraen», dice el astrónomo R. Brent Tully de la Universidad de Hawaii, uno de los investigadores principales del estudio. “Así como el agua fluye en cuencas hidrográficas, las galaxias fluyen en cuencas de atracción cósmicas. El descubrimiento de estas cuencas más grandes podría cambiar fundamentalmente nuestra comprensión de la estructura cósmica.

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Si la Vía Láctea está realmente dentro de esta estructura mucho más grande, cambiaría por completo los modelos actuales que utilizan los astrónomos para rastrear la evolución de nuestro universo hace 13 mil millones de años.

«Este descubrimiento presenta un desafío: es posible que nuestros estudios cósmicos aún no sean lo suficientemente grandes como para mapear la extensión total de estas inmensas cuencas», dice el astrónomo y coautor de la Universidad de Hawaii, Ehsan Kourkchi. «Siempre miramos a través de ojos gigantes, pero incluso esos ojos pueden no ser lo suficientemente grandes como para capturar la imagen completa de nuestro universo».

Pero, ¿cómo pueden los astrónomos determinar si existen o no estas enormes estructuras, llamadas cuencas de atracción? Observan los movimientos de las galaxias. Cualquier galaxia atrapada entre dos grandes cuencas se verá arrastrada a una feroz lucha gravitacional que tendrá un impacto considerable en sus movimientos. El equipo determinó la ubicación de estas superestructuras evaluando la velocidad de las galaxias vecinas.

Mientras continúan su viaje para mapear el cosmos, esperan demostrar que nuestro universo es más vasto e interconectado de lo que jamás podríamos imaginar.

Los astrónomos han mapeado las galaxias de nuestro universo y han descubierto que el cosmos podría ser mucho más grande de lo que pensamos.

Los movimientos de las galaxias convergen hacia cuencas de atracción coloreadas. La Vía Láctea está representada por el punto rojo.Los movimientos de las galaxias convergen hacia cuencas de atracción coloreadas. La Vía Láctea está representada por el punto rojo.

Los movimientos de las galaxias convergen hacia cuencas de atracción coloreadas. La Vía Láctea está representada por el punto rojo. (Foto: Universidad de Hawaii)

h/t: [IFL Science]

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Con datos científicos reales, el artista Martin Vargic visualizó cientos de planetas alienígenas

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Con datos científicos reales, el artista Martin Vargic visualizó cientos de planetas alienígenas

Por sorprendente que pueda parecer hoy en día, antes de la década de 1990, los científicos no podían estar seguros de que las estrellas más allá del Sol también estuvieran rodeadas de planetas. Desde el descubrimiento del primer planeta extrasolar, o «exoplaneta», hace unos 30 años, se han revelado más de 6.000 de estos mundos distantes y se han detectado miles más, pero aún no confirmados.

El floreciente catálogo de exoplanetas ha generado una gran cantidad de planetas que realmente enfatizan el lado «extraterrestre» de los «mundos alienígenas». Con planetas tan calientes que hacen llover hierro, planetas con vientos salvajes llenos de vidrio y planetas tan descontentos con sus estrellas que giran en sus órbitas como huevos, no es de extrañar que los exoplanetas hayan cautivado a personas más allá de los sagrados pasillos de la academia científica, inspirando increíbles e impresionantes obras de arte. Un artista cautivado por los exoplanetas es Martin Vargic, artista eslovaco y autor de «Curiosa colección cósmica«.

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Científicos descubren un fósil de araña dinosaurio 'gigante' en Australia

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Científicos descubren un fósil de araña dinosaurio 'gigante' en Australia

Si pensabas que las arañas australianas daban miedo, espera hasta ver la versión prehistórica.

Los científicos han descubierto una araña gigante fosilizada en Nueva Gales del Sur, el cuarto espécimen de este tipo descubierto en Australia.

Se cree que la criatura deambulaba y cazaba en áreas circundantes que alguna vez fueron una exuberante selva tropical, dijeron los investigadores en un informe presentado recientemente.

El año pasado, los científicos descubrieron fósiles de selva tropical de hace millones de años, repletos de especímenes que incluían plantas, arañas trampilla, cigarras gigantes y avispas.

Hoy la zona es una zona de pastizales conocida como McGraths Flat.

Los investigadores llamaron al fósil de araña «Megamonodontium mccluskyi». Habría vivido en el Mioceno hace entre 11 y 16 millones de años.

«Sólo se han descubierto cuatro fósiles de arañas en todo el continente, lo que dificulta a los científicos comprender su historia evolutiva», afirmó el paleontólogo Matthew McCurry de la Universidad de Nueva Gales del Sur y del Museo Australiano.

“Por eso este descubrimiento es tan importante: revela nueva información sobre la extinción de las arañas y llena un vacío en nuestra comprensión del pasado.

“El pariente vivo más cercano de este fósil vive ahora en las selvas tropicales desde Singapur hasta Papúa Nueva Guinea.

«Esto sugiere que el grupo alguna vez ocupó ambientes similares en Australia continental, pero luego desapareció cuando Australia se volvió más árida».

La araña fue encontrada entre muchos otros fósiles del Mioceno. En algunos de ellos, los fósiles estaban tan bien conservados que se podían distinguir estructuras subcelulares.

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«La microscopía electrónica de barrido nos permitió estudiar los finos detalles de las garras y cerdas de los pedipalpos, las patas y el cuerpo principal de la araña», dijo el virólogo Michael Frese de la Universidad de Canberra.

Los detalles significaron que los científicos podían ubicarlo con confianza cerca del moderno Monodontium, o araña trampilla.

Sin embargo, es cinco veces más grande que sus primos actuales. El cuerpo de Megamonodontium mccluskyi mide 23,31 milímetros de largo, o poco más de una pulgada.

Varias especies de arañas trampilla modernas.Matthew R McCurry, Michael Frese, Robert Raven

El descubrimiento de la especie también nos habla del clima pasado de Australia, añade el informe.

El hecho de que fue descubierto en una capa de sedimento de la selva tropical significa que el área alguna vez fue mucho más húmeda de lo que es hoy.

Esto, a su vez, podría ayudar a los científicos a comprender cómo el calentamiento global ya ha cambiado las formas de vida del país y cómo podría cambiarlas nuevamente.

«No sólo es la araña fosilizada más grande encontrada en Australia, sino que también es el primer fósil de la familia Barychelidae descubierto en cualquier parte del mundo», dijo el aracnólogo Robert Raven del Museo de Queensland.

“En la actualidad existen alrededor de 300 especies de arañas trampilla de patas arbustivas, pero no parece que se conviertan en fósiles con mucha frecuencia.

«Esto podría deberse a que pasan mucho tiempo en madrigueras y, por tanto, no se encuentran en el entorno adecuado para fosilizarse».

Los resultados fueron publicados en el Revista zoológica de la Sociedad Linnaean.

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