La manipulación óptica de objetos mecánicos aprovecha que la luz tiene un momento y puede producir una fuerza. Se requieren objetos micromecánicos cuya masa sea del orden de los nanogramos. Investigadores de la Universidad de Cornell, New York, han demostrado el efecto de fuerzas ópticas repulsivas y atractivas sobre un resonador micromecánico formado por dos ruedas (anillos) de 30 micrómetros de diámetro y 190 nanómetros de grosor. Se han observado deformaciones mecánicas de hasta 20 nanómetros utlizando un láser de 3 mW (milivatios). Me llama mucho la atención las fotos por microscopio electrónico de este tipo de estructuras mecánicas en la escala de micras, con finos detalles de pocas décimas de micrómetro. Cuando además responden a una excitación óptica parece casi mágico. Un artículo técnico de fácil lectura (salvo la información suplementaria que es algo más técnica) de Gustavo S. Wiederhecker, Long Chen, Alexander Gondarenko, Michal Lipson, “Controlling photonic structures using optical forces,” Nature advance online publication 15 November 2009.
Los dos anillos de la figura están fabricados mediante litografía de haces de electrones con nitruro de silicio (Si3N4), que posee un índice de refracción óptico relativamente bajo (2.0). Ambos anillos están separados por 640 nm. y resuenan ante una excitación óptica (luz láser) centrada a 1493 nm. Esta luz logra que oscilen los dos anillos de forma simétrica (fuerza atractiva) y antisimétrica (fuerza repulsiva). El esquema del experimento (figura abajo izquierda) muestra que dos haces láser, uno de bombeo (pump) y otro de prueba (probe), son acoplados y dirigidos hacia el dispositivo micromecánico. Para medir el efecto, la luz reflejada en el dispositivo es filtrada para eliminar la señal de bombeo y el resultado excita un fotodiodo (PD). Los resultados obtenidos (figura arriba centro y derecha) muestran la resonancia simétrica (círculos azules) y antisimétrica (círculos rojos) conforme el haz láser de bombeo es sintonizado a las respectivas resonancias.
Como seguramente ya habréis notado en este blog, le tengo cierto “cariño” a las microfotografías de dispositivos micromecánicos y a la fotónica en sentido amplio. Un gran trabajo experimental que no he querido dejar pasar sin mostrároslo.
El grafeno (una lámina monoatómica de grafito, átomos de carbono) sigue sorprendiendo a los físicos por sus asombrosas propiedades electrónicas. Dos artículos publicados en Nature han observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno, por el que los electrones se comportan como si tuvieran carga fraccionaria, como cuasipartículas que fueran “trozos” de electrones. La interacción entre electrones en un sólido produce un campo efectivo que se interpreta como cuasipartículas con propiedades exóticas. Los electrones en un medio bidimensional plano al que se le aplica un campo magnético fuerte, con cierto ángulo respecto a dicho plano, se comportan como cuasipartículas con una carga fraccionaria, el llamado efecto Hall cuántico fraccionario, observado en experimentos en 1982 por Daniel Tsui y Horst Störmer en heteroestructuras semiconductoras ultrapuras (estructuras formadas por capas alternas en forma de sandwich). Nos lo cuenta Alberto F. Morpurgo, “Condensed-matter physics: Dirac electrons broken to pieces,” News & Views, Nature 462: 170-171, 12 Nov. 2009, que se hace eco de los artículos técnicos de Xu Du, Ivan Skachko, Fabian Duerr, Adina Luican, Eva Y. Andrei, “Fractional quantum Hall effect and insulating phase of Dirac electrons in graphene,” Nature 462: 192-195, 12 Nov. 2009, y Kirill I. Bolotin, Fereshte Ghahari, Michael D. Shulman, Horst L. Stormer, Philip Kim, “Observation of the fractional quantum Hall effect in graphene,” Nature 462: 196-199, 12 Nov. 2009.
En la presencia de un campo magnético los electrones están sometidos a la fuerza de Lorentz que curva su trayectoria en la dirección perpendicular a las del campo aplicado y su velocidad. Estos electrones son desviados y se acumulan en los bordes del material, generando un campo eléctrico que compensa exactamente la fuerza de Lorentz. El voltaje que resulta genera una resistencia eléctrica llamada de Hall, descubierta en 1879, que crece conforme crece el campo magnético aplicado. Un siglo después se descubrió que en un conductor plano (bidimensional) la dependencia de la resistencia con el campo aplicado es más complicada, presenta una serie de escalones (plateaux), debidos al comportamiento cuántico de los electrones en el campo magnético, los niveles de energía de Landau, el llamado efecto Hall cuántico (Premio Nobel de Física de 1985 para el alemán Klaus von Klitzing). En el centro del conductor, los niveles de Landau están separados por bandas prohibidas, pero en los bordes están curvados de forma que definen un canal por el cual los electrones se pueden propagar en una única dirección. Los lectores de Investigación y Ciencia pueden recurrir a Klaus von Klitzing, “El efecto Hall cuántico,” IyC 116, mayo 1986, o la recopilación de artículos de Física del Estado Sólido editada en 1993 por la misma editorial, Prensa Científica.
El efecto Hall cuántico se observa en materiales a muy baja temperatura. Sin embargo, en el grafeno dicho efecto también se observa a temperatura ambiente (descubierto en 2005) siendo el responsable de sus propiedades como semiconductor y dando lugar a las aplicaciones electrónicas del grafeno. Más aún, los niveles de Landau están indexados por un número entero, pero en ciertos materiales se observa que aparecen niveles indexados por un número no entero, se trata del efecto Hall cuántico fraccionario. En estos materiales la unidad de carga más pequeña no es el electrón, sino una fracción del electrón. Se ha observado que los electrones en el material se rompen en trozos, unas cuasipartículas de carga fraccionaria. Estas cuasipartículas exóticas tienen propiedades cuánticas muy curiosas que han sido demostradas experimentalmente. El material ideal para observar dichas propiedades y utilizarlas en aplicaciones es el grafeno.
El descubrimiento de que en el grafeno también se puede observar el efecto Hall cuántico fraccionario a temperaturas altas (aunque todavía no a temperatura ambiente, ya que se ha podido observar sólo a 20 K), es un gran avance (es una temperatura 100 veces superior a la de otros materiales). El dispositivo utilizado requiere suspender una tira de grafeno de unas pocas micras entre dos contactos de forma que los efectos del substrato no impidan observar el efecto Hall cuántico fraccionario. El resultado ha sido la observación de cuasipartículas con una carga de 1/3 la carga del electrón. Ahora los investigadores tendrán que caracterizar las funciones de onda de estas cuasipartículas y comprobar si corresponden a lo predicho para la teoría en función de la ecuación de Dirac para los electrones. Una posibilidad es aprovechar que el grafeno es plano para utilizar el microscopio de efecto túnel y visualizar dichas funciones de onda de carga fraccionaria directamente.
Por ahora las aplicaciones de este descubrimiento se limitarán al campo teórico, donde muchas cosas quedan aún por corroborar y descubrir en este interesante campo científico. Las aplicaciones prácticas que podrán tener estos descubrimientos son ahora difíciles de imaginar, pero haberlas las habrá.
Manipular nanotubos de carbono uno a uno es muy difícil. Requiere las manos de un ”cirujano,” un complejo equipo experimental y años de experiencia. Por ello los chips de nanotubos de carbono utilizan marañas de nanotubos. Parecen pocos útiles en su estado actual, pero no es así. La punta de un nanotubo permite alcanzar campos electroestáticos de hasta 9 gigaV/m, capaces de ionizar átomos de rubidio individuales en su estado fundamental. Se ha fabricado un chip ultrarrápido para la detección de estos átomos que utiliza esta propiedad. No es necesario un único nanotubo, una maraña como la mostrada en la foto de arriba es suficiente. El nuevo chip de nanotubos permite detectar átomos de rubidio individuales a escalas de décimas de nanosegundos. El nuevo detector permitirá medir presiones ultrabajas en gases ultrarralos. Un detector ultrarrápido que nos muestra que el futuro a corto plazo de los chips de nanotubos de carbono se encuentra entre la nanoelectrónica y la microelectrónica. Es curioso pero todo ello me recuerda a la punta de un microscopio de efecto túnel, macroscópica, pero que permite ver una superficie a escala atómica. El artículo técnico es B. Grüner, M. Jag, A. Stibor, G. Visanescu, M. Häffner, D. Kern, A. Günther, J. Fortágh, “Integrated Atom Detector Based on Field Ionization near Carbon Nanotubes,” ArXiv, 6 Nov 2009.
Los cupratos están formados por capas alternas. ¿Cuántas capas planas son necesarias para observar la superconductividad? Sólo una. Un nuevo estudio experimental publicado en Science ha observado la superconductividad con una Tc de 32 K en una película “bicapa” con una sola capa metálica, dopada con zinc, LCZO, y una sola capa aislante, LCO. El dopado con zinc de toda la película de cuprato, elimina completamente la superconductividad. Cuando sólo se dopan ciertos planos, la temperatura crítica se reduce de 32 K a solo 18 K. Logvenov y sus colegas han dopado con zinc un solo plano de una “bicapa” y han observado que la Tc se mantiene en 32 K. Interpretan su experimento como que el origen de las superconductividad se encuentra en la capa monoatómica que hace de interface entre ambas capas de la bicapa, la metálica y la aislante. Han fabricado esta estructura utilizando la técnica de epitaxia por haces moleculares (MBE). El trabajo es un gran avance experimental que no sólo aporta gran información para los teóricos sino que además tendrá múltiples aplicaciones que requieren capas superconductoras ultradelgadas. El artículo técnico es G. Logvenov, A. Gozar, I. Bozovic, “High-Temperature Superconductivity in a Single Copper-Oxygen Plane,” Science 5953: 699-702, 30 October 2009. Se han hecho eco de este artículo en ”High-temperature superconductor goes super thin,” Physics Today, Nov 2, 2009.
Estudiar si una sola capa de un cuprato puede ser superconductora es difícil porque una capa ultradelgada presenta defectos superficiales que reducen la temperatura crítica como la rugosidad superficial o la interdifusión de cationes con el substrato. En superconductores de la familia de los La-Sr-Cu-O, la temperatura crítica más alta observada en películas delgadas era de unos 10 K en películas formadas por 4 planos de óxido de cobre superconductores. En capas biatómicas de plomo se observó la superconductividad convencional (BCS) este año (“Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo,” 7 Mayo 2009).
Descubrir el secreto de la superconductividad de alta temperatura crítica le quita el sueño a muchos investigadores. Un fenómeno polifacético del que cada día descubrimos nuevas caras. Los cupratos están formados por capas alternas (los pnicturos también). Muchos teóricos piensan que el origen de la superconductividad de alta Tc está en dicha estructura en capas planas. Han dopado una a una las capas de una película ultradelgada de cuprato para obtener la estructura de la figura: con 6 capas metálicas (LSCO), una capa aislante LCO, una metálica LCZO y 4 aislantes (LCO). La adición de zinc a una capa de óxido de cobre reduce la Tc en dicha capa a sólo 18 K (dopar todas las capas, la destruye). El nuevo estudio ha mostrado la estructura superconductora más delgada conocida, con una sola capa con un grosor de 3 celdas unidad de la estructura cristalina que es superconductora con una temperatura de transición de 32 K. Un trabajo espectacular y necesario desde que se descubrió que algunos pnicturos son superconductores tridimensionales, a diferencia de los cupratos y el resto de los pnicturos. Cada día el secreto de los superconductores de alta Tc está más próximo.
El hidrato de un gas es el material que se obtiene al congelar una mezcla de agua y gas, de tal forma que la retícula molecular del hielo encierre a dicho gas. El “hielo de metano” o hidrato de metano es el ejemplo más habitual y se encuentra bajo las capas de lodo marino. Sorprendentemente es un material inflamable, arde al acercar una llama, y podría ser utilizado como combustible, pero el metano es un gas de invernadero. ¿Cómo se forma el hidrato de metano? Matthew R. Walsh y sus colaboradores de la Colorado School of Mines, EEUU, han utilizado simulaciones dinámicas moleculares para estudiar la formación espontánea del hidrato de metano y su crecimiento. Los resultados del ordenador permiten seguir el proceso en detalle en una escala de microsegundos. El proceso se basa en la formación de “jaulas” moleculares en las que se ven encerrados los átomos de metano que se van autoorganizando hasta formar una estructura ordenada similar a un cristal. Este proceso es espontáneo porque es energéticamente favorable. Los dos vídeos que acompañan esta entrada ilustran este proceso de nucleación y “enjaulamiento” del metano en la retícula de hielo. El artículo técnico es Matthew R. Walsh, Carolyn A. Koh, E. Dendy Sloan, Amadeu K. Sum, David T. Wu, “Microsecond Simulations of Spontaneous Methane Hydrate Nucleation and Growth,” Science Express, Published Online October 8, 2009. Los detalles de las simulaciones por ordenador realizadas se encuentran en la Información Suplementaria.
Las simulaciones han requerido un día de trabajo cada 75 ns (nanosegundos) de simulación en un supercomputador de 23 TFLOP (“billones” de operaciones en coma flotante por segundo), constituido por un cluster de procesadores. Se han simulado 512 átomos de metano y 2944 moléculas de agua (hielo) enfriados a una temperatura de 305 K y a una presión de 10 MPa (megapascales). El dominio tridimensional simulado es un cubo con un lado de 5 nm (nanómetros) con condiciones de contorno periódicas. Se ha utilizado un paso de tiempo de 2 fs (femtosegundos).
El vídeo que abre esta entrada muestra un detalle de las fases iniciales de formación de las “jaulas” de hielo que encierran a las moléculas de metano dando lugar al crecimiento y formación del hidrato de metano. Sólo se muestran algunas de las moléculas de agua (esferas pequeñas) y de metano (esferas grandes). Han sido seleccionadas las que acaban formando parte de la estructura que se observa al final. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se muestran como líneas rojas a trazos.
El vídeo que cierra esta entrada muestra una visualización durante de 2 μs de tiempo real de la nucleación del hidrato de metano y su crecimiento a una temperatura de 250 K y una presión de 50 MPa. Las moléculas de agua se muestran como línes sólidas negras, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se muestran como líneas a trazos rojas y las moléculas de metano como esferas sólidas azules, que cuando quedan “enjauladas” pasan a tener un color verde claro.
¿Son tóxicos los nanotubos de carbono? Ratones que han inhalado nanotubos de carbono multicapa en una sola dosis presentan rastros de dichos nanotubos en sus pulmones y tras varias semanas han desarrollado fibrosis pulmonar, una de las causas del cáncer de pulmón. James Bonner de la Universidad de Carolina del Norte, Raleigh, EEUU, y sus colegas han expuesto ratones a aerosoles de nanopartículas (nanotubos de carbono multicapa) durante 6 horas tanto en dosis altas de 30 miligramos por metro cúbico como a dosis bajas de 1 miligramo por metro cúbico. En dosis altas, los macrófagos, un tipo de glóbulos blancos que fagocitan elementos extraños, han engullido los nanotubos y los han conducido por los bronquios y bronquiolos. Tras varias semanas después de la exposición, estos ratones han desarrollado fibrosis pulmonar (pequeñas cicratices en las vías respiratorias) de tipo subpleural. En dosis bajas no se observan estos efectos así como tampoco en dosis altas de nanopartículas de carbón. La fibrosis pulmonar está asociada al desarrollo de algunos cáncer de pulmón. Aunque el estudio no lo demuestra directamente, podría ser que la inhalación de nanotubos de carbono puede ser la causa del desarrollo de tumores pulmonares. Los trabajadores de las empresas de nanotecnología que bregan diariamente con nanotubos deberán tener muy presentes estos estudios: deberán tratar en lo posible de no respirar un ambiente cargado de nanotubos. Nos lo cuentan en “Nanotoxicology: Lung penetration,” Nature 461: 1176, 29 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico Jessica P. Ryman-Rasmussen et al. “Inhaled carbon nanotubes reach the subpleural tissue in mice,” Nature Nanotechnology, Published online: 25 October 2009.
La ley de Moore afirma que casi cada 2 años se duplica la velocidad de procesamiento de información de los microprocesadores, los cerebros de los ordenadores. Así se ha cumplido en los últimos 40 años. Y seguirá cumpliéndose si nuevos ”transistores cuánticos” sustituyen a los transistores actuales. ¿Hasta cuándo? ¿Hay algún límite teórico? Lev Levitin y Tommaso Toffoli de la Universidad de Boston, Massachusetts, EEUU, han refinado los límites teóricos actuales que dependen del tiempo mínimo que necesita una partícula para cambiar de un estado cuántico a otro. Este tiempo depende de la energía involucrada, lo que implica que existe un límite teórico máximo a la velocidad de procesamiento de un ordenador dependiendo de la cantidad de energía que utilice. Si la ley de Moore se sigue aplicando dicho límite indica que entre 75 y 80 años se alcanzará la velocidad máxima físicamente posible para el procesamiento de información (utilizando ordenadores cuánticos si es que llegan a construirse). Nos lo han contado en muchos foros, como “In 75 years will reach the maximum possible processing speed,” ntra-net, 16-10-2009, y en “Physics: Quantum speed limit,” Nature, Research Highlights, October 29, 2009. El artículo técnico es Lev B. Levitin, Tommaso Toffoli, “Fundamental Limit on the Rate of Quantum Dynamics: The Unified Bound Is Tight,” Phys. Rev. Lett. 103: 160502, 2009 [gratis en ArXiv].
Técnicamente los autores han unificado dos desigualdades ya conocidas. Por un lado, una desigualdad obtenida a partir de un resultado de Mandelstam y Tamm (1945), obtenida por Fleming (1973), Anandan y Aharonov (1990) y Vaidman (1992), que afirma que el mínimo tiempo necesario para cambiar el estado cuántico de un sistema está acotado por donde , es el hamiltoniano del sistema y su función de onda. Por otro lado, una desigualdad obtenida por Margolus y uno de los autores, Levitin, en 1998, dada por donde es la energía media del sistema cuántico (supuesto que el estado de menor energía tiene asignado un valor cero). Levitin y Toffoli en el nuevo artículo generalizan ambas desigualdades demostrando que
,
donde . Esta desigualdad generaliza las dos anteriores de una forma aparentemente trivial, pero requiere un análisis cuidadoso. Para las dos desigualdades anteriores coinciden entre sí. Para han demostrado que para todo existe una familia de estados tales que , y que para existe una familia de estados tales que . Esto completa el círculo y muestra que la nueva desigualdad comprende a los dos anteriores como casos particulares y las unifica.
La escala de integración más alta posible para un transistor es utilizar una única molécula. El problema de este tipo de transistores monomoleculares es la presencia de estados cuánticos espurios para la conductancia que penalizan su funcionamiento. Una manera de evitar estos efectos es utilizar contactos superconductores. Investigadores franceses han logrado el primer transistor monomolecular fiable basado en una molécula del fulereno C60 entre dos electrodos de Alumino/Oro cuyo único inconveniente es que funciona a una temperatura por debajo de 1 Kelvin. El artículo técnico es Clemens B. Winkelmann, Nicolas Roch, Wolfgang Wernsdorfer, Vincent Bouchiat, Franck Balestro, “Superconductivity in a single-C60 transistor,” Nature Physics, Published online 25 October 2009 [versión gratis en ArXiv, que no incluye la información suplementaria disponible aquí].
El campo eléctrico es medido en el canal 1 (Ch1) y el magnético en el canal 2 (Ch2). Se muestra el esquema del experimento así como la punta del microscopio óptico por campo cercano.
James Clerk Maxwell y Heinrich Hertz demostraron teórica y experimentalmente que la luz es una onda electromagnética. En las longitudes de onda ópticas los experimentos han logrado medir solamente la componente eléctrica del campo ya que la componente magnética es muchísimo más débil. Burresi et al. han logrado la primera medida directa de las componentes magnéticas de la luz a la salida de una fibra óptica de vidrio gracias a una sonda metálica nanoestructurada, una especie de microscopio por efecto túnel óptico. La microscopía óptica por campo cercano (SNOM o scanning near-field optical microscopy) permite observar la luz a una distancia menor que una longitud de onda (de dicha luz), es decir, su resolución no está limitada por la difracción de Abbe. Para la luz infrarroja en una fibra óptica, este límite difractivo impide observar la luz en distancias menores de 500 nm. (nanómetros). Gracias a la nueva técnica se han podido observar las características ópticas en la nanoescala de los campos magnéticos en pulsos de luz. Nos lo cuentan Harald Giessen, Ralf Vogelgesang, “Glimpsing the Weak Magnetic Field of Light,” Science 326: 529-530, 23 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico de M. Burresi, D. van Oosten, T. Kampfrath, H. Schoenmaker, R. Heideman, A. Leinse, L. Kuipers, “Probing the Magnetic Field of Light at Optical Frequencies,” Science 326: 550-553, 23 October 2009.
El cociente entre la contribución al campo electromagnético de la luz de las componentes eléctrica y magnética por separado es de la constante de estructura fina al cuadrado, aproximadamente 4 órdenes de magnitud. Esta diferencia es tan grande que ha permitido observar experimentalmente la contribución magnética sólo en ondas de radio con una longitud de onda entre centímetros y metros. En el régimen óptico es necesario amplificar la componente magnética de alguna manera. En un metamaterial formado por pequeños anillos resonadores nanométricos (con un área de 100 nm. por 100 nm.) es posible realizar dicha amplificación de los campos magnéticos hasta en 6 órdenes de magnitud. Esta es la técnica que han utilizado Burresi et al. han logrado observar tanto el campo magnético como el eléctrico en una fibra óptica y han comprobado que están desfasados exactamente 90º, como la teoría predice, confirmando que la señal que interpretan como campo magnético realmente lo es.
Un superconductor permite el flujo de una corriente sin resistencia eléctrica. La mecánica cuántica permite que un conductor convencional, no superconductor, en forma de anillo también presente corrientes sin disipar energía, pero son extremadamente débiles. Estas corrientes existen sólo cuando se aplica un campo magnético y éstas varían periódicamente con el flujo magnético con un periodo igual al flujo magnético cuántico h/e, donde h es la constante de Planck y e es la carga del electrón. Estas corrientes son extremadamente pequeñas y su medida experimental notoriamente difícil. Sin embargo, Bluhm et al. y Bleszynski-Jayich et al. han sido capaces de medir dichas corrientes experimentalmente. Nos lo comentan Norman O. Birge, “Physics: Sensing a Small But Persistent Current,” Science 326: 244-245, 9 October 2009, y Yoseph Imry, “Tireless electrons in mesoscopic gold rings,” Physics 2: 24, 2009, haciéndose eco de los artículos técnicos de Hendrik Bluhm, Nicholas C. Koshnick, Julie A. Bert, Martin E. Huber, Kathryn A. Moler, “Persistent Currents in Normal Metal Rings,” Phys. Rev. Lett. 102: 136802, 2009, y A. C. Bleszynski-Jayich, W. E. Shanks, B. Peaudecerf, E. Ginossar, F. von Oppen, L. Glazman, J. G. E. Harris, “Persistent Currents in Normal Metal Rings,” Science 326: 272-275, 9 October 2009.
¿Por qué es tan difícil medir estas corrientes sin pérdidas tan pequeñas? Por un lado, la corriente tiene que fluir por un anillo y el efecto desaparece si se coloca un amperímetro en el propio anillo. Lo único que se puede medir es el pequeño momento magnético producido por el flujo de esta corriente. La teoría predice que esta corriente es del orden de la carga de un electrón dividida por el tiempo que el electrón necesita para su difusión alrededor de todo el anillo. Por ello el anillo tiene que tener un diámetro de pocos micrómetros. Además, la corriente sin pérdidas disminuye muy rápidamente cuando se incrementa la temperatura, por lo que hay que trabajar cerca de un 1 K. Además, el signo de esta corriente en una muestra real depende de los detalles íntimos del material utilizado, los responsables de la resistencia eléctrica, por lo que varía aleatoriamente de un anillo a otro, luego hay que utilizar muchos anillos para obtener una buena estimación de la corriente. Finalmente, momentos magnéticos espurios pueden contaminar la superficie de las muestras y perturbar las medidas obtenidas.
Las primeras medidas experimentales de estas corrientes sin pérdidas en metales convencionales se realizaron en los 1990 y presentaron resultados que diferían de los resultados teóricos esperados, con lo que su interpretación se hacía difícil. Experimentos posteriores mejoraron esta concordancia, pero con muchas coletillas aún por comprender. Casi 20 años de incertidumbres sobre si lo medido era realmente el efecto que se quería medir han sido necesarios para que este año dos grupos de investigación hayan obtenido medidas precisas de este efecto que lo confirman fuera de toda duda.
Bluhm et al. han usado un microscopio de efecto túnel para medir estas débiles corrientes en 33 anillos de oro, cada anillo individualmente conforme el microscopio era desplazado. Los campos magnéticos debidos a estas corrientes se han medido utilizando dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUID). El experimento es díficil y cada medida de un anillo ha requerido 12 horas de medidas que han tenido que ser promediadas. Los resultados concuerdan muy bien con la teoría.
Bleszynski-Jayich et al. han usado un procedimiento diferente basado en sistemas nanoelectromecánicos. Los anillos se encontraban en el extremo de unas microvigas ultrapequeñas suspendidas que oscilan a una frecuencia que se puede medir con gran precisión. Al colocar estas microvigas en un campo magnético, las pequeñas corrientes sin pérdidas introducen un momento mecánico pequeñísimo que hace oscilar las microvigas. Usando esta técnica Bleszynski-Jayich et al. han logrado una sensibilidad sin precedentes, 100 veces mayor que la obtenida por Bluhm et al. El secreto está en el gran campo magnético utilizado que suprime los efectos debidos a la contaminación de fondo resultado de los espines de las impurezas en el material. Sus medidas han utilizado microvigas con 242, 990 y hasta 1680 pequeños anillos, para lograr que la señal total sea amplificada (crece con la raíz cuadrada del número de anillos).
Dos grandes trabajos experimentales que nos muestran que la mecánica cuántica hace de las suyas en muchos sistemas de escala macroscópica.
Para fabricar diamante se requiere mucha energía y una fuente de carbono. La primera cuesta dinero, luego es mejor encontrar los diamantes en la Naturaleza que fabricarlos. Para la segunda hay muchas opciones, usar grafito (la mina de un lápiz), serrín de madera, o incluso tequila comercial, el que se vende en licorerías. Los científicos Javier Morales, Universidad Autónoma Nuevo León (UANL), y Miguel Apátiga y Victor M. Castaño, Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), han creado películas de diamante depositadas en un sustrato, tanto silicio como acero inoxidable, a partir de tequila, utilizando la técnica de deposición química de vapor por inyección pulsada de líquido (Pulsed Liquid Injection Chemical Vapor Deposition, PLI-CVD). Han caracterizado las películas de diamente obtenidas mediante microscopio electrónico y espectroscopía Raman. Estas finas películas están formadas por bolitas (esferas) de diamante de un diámetro entre 100 y 400 nanómetros y presentan la línea espectral Raman de 1332 cm-1 característica del diamante. El artículo técnico, breve, pues no hay mucho que contar, es Javier Morales, Miguel Apátiga, Victor M. Castaño, “Growth of Diamond Films from Tequila,” ArXiv, Submitted on 9 Jun 2008. Se hicieron eco de este artículo muchos medios, como “Tequila is surprise raw material for diamond films,” NewScientist: 2661, 20 June 2008, incluso en español “Obtener diamantes del tequila causa gran impacto en los medios científicos,” Noticias UANL, 22/4/2009. Permitidme unos extractos de este último artículo.
“Javier Morales, estudiante del doctorado en la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, junto a su director de tesis, Víctor Castaño, y su colaborador Luis Miguel Apátiga, ambos de la UNAM, lograron titulares de famosas revistas de investigación como Science, NewScientist, The Telegraph, etc. Javier Morales estudió para su tesis doctoral la cinética molecular de los precursores empleados en la formación de diamante y encontró que cualquier orgánico “corregido con agua” para cambiar la relación atómica carbón-hidrógeno-oxígeno es útil como precursor en la formación de películas de diamante. Una de sus tantas noches interminables de búsquedas, vio en sus cálculos que ocupaba 40 por ciento de etanol y 60 por ciento de agua. Por casualidad su esposa le recordó que debían comprar un tequila y la respuesta que obtuvo fue: “¡Sí, con tequila también se puede! ¿De que hablas? –preguntó ella. No, olvídate, duérmete.” Y en el siguiente experimento obtuvo películas de diamante a partir de etanol, metanol corregido con agua, y también con tequila solo. Han publicado dos artículos en revistas indexadas internacionales, otros dos se han enviado para su publicación y cuentan con once participaciones en congresos nacionales e internacionales. Las aplicaciones son muchas y van desde un recubrimiento de diamante en herramientas de corte o dados de trefilado, el diamante se puede dopar como el silicio, es decir, se puede hacer toda una electrónica basada en el diamante como semiconductor, la diferencia es que el diamante es mucho más resistente a la temperatura y a la corrosión, las nuevas computadoras o dispositivos electrónicos pudieran soportar condiciones muy severas de operación. El diamante es una estructura muy estable. Se hace con átomos de carbón… si tú agarras carbón del que usas para asar la carne y los pones a alta presión, a alta temperatura, llega un momento en que la interacción de los átomos ya no soportan esas condiciones, se reagrupan con otros enlaces y forman los diamantes.”
“El diamante es de los metales más duros, es el que tiene menos fricción, y tiene gran número de aplicaciones tecnológicas. Si recubres un acero con diamantes ya sea para hacer un dado de extrusión, un trefilado de alambre, esa pieza te va a durar más que con cualquier otro tratamiento convencional que se le dé, como un nitrurado, un carburizado, que son buenos, pero un diamantado es mejor. Muchos de los circuitos que disparan los airbasgs (bolsas de aire) de los coches son de diamantes.”
“La Universidad Autónoma de Nuevo León me ha dado la prepa, la maestría, el doctorado, me ha apoyado mucho. El doctor Rubén Morones, coordinador del programa de doctorado en Físico-Matemáticas, trata de impulsar mucho a los alumnos en sus áreas de interés. Y el doctor Castaño, mi director de tesis, ha sido un apoyo invaluable. El camino de la investigación hace resurgir metas y Javier Morales se adentra en sus pesquisas. Ahora la etapa de la escritura de la tesis, reunir el material necesario, doctorarse y no parar sus búsquedas en el mundo alucinante de la ciencia.”
Una nueva palabra para los libros de ciencia ficción: el “nanoespáser.” Un nanoláser plasmónico, un láser de menos de 100 nanómetros basado en plasmones. Su impacto potencial es enorme en la fabricación de nanocircuitos fotónicos ultrarrápidos, técnicas de nanolitografía, sensores bioquímicos monomoleculares, o en las tecnologías de información cuántica. Los plasmones son ondas generadas por el movimiento colectivo de electrones libres en la superficie de un metal. Todavía no se ha fabricado un nanoláser plasmónico práctico, pero las tecnologías para fabricarlos se han logrado recientemente, como nos cuentan dos físicos teóricos de la Universidad Autónoma de Madrid, Francisco J. Garcia-Vidal y Esteban Moreno, en “Lasers go nano,” Nature 461: 604-605, 1 October 2009, haciéndose eco de dos artículos técnicos publicados recientemente en Nature, los de Rupert F. Oulton et al., “Plasmon lasers at deep subwavelength scale,” Nature 461: 629-632, 1 October 2009, y M. A. Noginov et al., “Demonstration of a spaser-based nanolaser,” Nature 460: 1110-1112, 27 August 2009.
Un láser emite un haz intensa y fuertemente colimado de luz (casi) monocromática coherente. La luz de una bombilla es incoherente, con un espectro relativamente ancho, de intensidad débil y poco colimada (casi onmidireccional). Un láser requiere dos elementos, una cavidad óptica en la que la luz se vuelve coherente por resonancia y un medio que amplifica dicha luz. Un proceso parecido a la afinación de una orquesta antes de iniciar un concierto. Los músicos interpretan una única nota estimulada por las notas tocadas por otros músicos y afinan su instrumento. Para el espectador, la sala de conciertos se llena de un ruido incoherente que evoluciona hacia un acorde tonal bien afinado.
Un nanoláser óptico es imposible ya que no se puede superar el límite de resolución por difracción de la luz utilizada. Para luz visible, con longitudes de onda entre 300 y 800 nm (nanómetros), la cavidad láser más pequeña está limitada a unos cientos de nanómetros. La nanotecnología requiere menos de 100 nanómetros. ¿Cómo lograr un nanoláser? Utilizando electrones en una cavidad metálica, ya que la longitud de onda de los electrones es menor que las de los fotones (igual que la diferencia entre un microscopio óptico y uno electrónico). Los electrones pueden resonar la superficie de un metal produciendo una ondas llamadas plasmones superficiales. Estas ondas generan ondas electromagnéticas fuertemente localizadas en la superficie. En lugar de láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) podemos hablar de “spáser” (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission o amplificación de plasmones superficiales por emisión estimulada). Los plasmones, en lugar de los fotones, permiten fabricar un “nanoespáser,” el equivalente plasmónico de un nanoláser. Fabricar un láser de plasmones o “spáser” no es fácil ya que los plasmones sufren pérdidas muy importantes. Para evitarlas hay que diseñar un medio que los amplifique hasta superando con creces dichas pérdidas. Los nuevos artículos técnicos de Noginov et al. y Oulton et al. han logrado desarrollar un medio amplificador de este tipo en la nanoescala.
Noginov y sus colaboradores han encapsulado nanopartículas de oro (de 14 nm de diámetro) en esferas de sílice de 44 nm de diámetro (como muestra la parte izquierda de la figura que abre esta entrada). La amplificación se obtiene gracias al dopado del silicio con ciertas moléculas orgánicas. Los plasmones se propagan en el núcleo de oro, propagándose por el envoltorio de sílice como ondas de luz láser con una longitud de onda de 531 nm.
Oulton y sus colaboradores han utilizado como cavidad “láser” para los plasmones superficiales un nanohilo semiconductor de sulfuro de cadmio de alta ganancia separado de un “espejo” de plata por un aislante de 5 nm (como muestra la parte derecha de la figura que abre esta entrada). El nanohilo tiene un diámetro del orden de 25 nm y los fotones reflejados tienen una longitud de onda de 489 nm (un láser convencional requeriría unos 500 nm de diámetro como mínimo teórico).
Ambos estudios ofrecen importantes avances en la ciencia de los láseres plasmónicos, aunque todavía quedan varias cuestiones técnicas por resolver antes de ver estos “nanoespáseres” en aplicaciones prácticas. La coherencia de la luz emitida por estos dispositivos todavía no ha sido caracterizada. Además, no es luz colimada (la luz es emitida en todas las direcciones). Sin embargo, en los próximos años se avanzará muchísimo en este campo.
En la situación económica que se vive en Cuba parece sorprendente que haya investigadores trabajando en nanociencia y nanotecnología. La Revista Cubana de Física, publicación conjunta de la Sociedad Cubana de Física y de la Facultad de Física de la Universidad de la Habana, dedica su primer número de este año (son sólo dos al año) a estos campos de tan gran actualidad, “Número especial: Nanociencia cubana 2009.” Como reza el editorial introductorio: “Aun trabajando en muy difíciles condiciones, los profesionales cubanos han logrado, con su trabajo de años, que esta importante actividad científica no constituya hoy una novedad en Cuba.”
Sorprende que la mayoría de los artículos sean experimentales y estén escritos por cubanos trabajando en Cuba. Uno tiende a pensar que los medios de los que disponen para investigar después del periodo especial de los 1990s son muy limitados. Sólo unos pocos artículos tienen coautores foráneos de países como España, México, Brasil, Colombia y Austria, aunque creo no equivocarme si afirmo que algunas de las investigaciones que se muestran en estos artículos han partido de trabajos realizados fuera del país. Aún así, mi más sincera enhorabuena a los nanocientíficos cubanos por su buen trabajo.
Parece increíble, pero se ha podido observar la dinámica de la recombinación de un electrón gracias a la interferometría de alto armónico que alcanza una resolución espacial por debajo del Angström y temporal del orden de los attosegundos (10−18 s.). Es como ver una película a cámara lenta que muestra la dinámica (cuántica) de un solo electrón cuando se ioniza una molécula de CO2. Un láser intenso incide sobre la molécula, el electrón salta dejando un hueco y luego retorna a ella (recombinación). Un movimiento ultrarrápido que se ha observado por primera vez. Al filo de lo imposible. Nos lo cuenta Marc Vrakking, “Electronic movies,” Nature 460: 960-961, 20 August 2009, haciéndose eco del artículo técnico Olga Smirnova et al., “High harmonic interferometry of multi-electron dynamics in molecules,” Nature 460: 972-977, 20 August 2009 (la información suplementaria merece la pena leerse).
La nueva técnica permite ver la dinámica de moléculas como si se enfocara una cámara CCD microscópica (en el dispositivo experimental se usa una para grabar la película de las bandas de inteferencia producidas por el interferómetro que permiten observar la dinámica en tiempo real). Los autores han sido capaces de “ver” los orbitales de la molécula que intervienen en el proceso “íntimo” de la recombinación del electrón. En concreto han observado tres orbitales y tres estados del ión. Variando la polarización de los láseres utilizados en el interferómetro varían la contribución de cada orbital en las franjas observadas, por lo que pueden reconstruir experimentalmente la forma de dichos orbitales y su contribución al proceso. El proceso les ha permitido ver cómo afecta el hueco que se crea cuando salta el electrón en los orbitales de la molécula.
La nueva técnica se podría bautizar como microscopio multielectrónico por interferometría de alto armónico. Un gran avance en attofotónica un campo extremadamente activo con un gran número de grupos de investigación por todo el mundo que acabará conduciendo a gran número de avances en nuestra comprensión de muchos fenómenos que ocurren demasiado rápido.
La nanofotónica estudia la interacción de la luz con objetos de escala nanométrica (inferior a su longitud de onda). Un nanohilo canaliza la luz propagando gran parte de la misma en forma de un modo evanescente (fuera del nanohilo). Dos nanohilos muy cercanos oscilan cuando por ellos pasa luz debido a la interacción de estos modos evanescentes que genera fuerzas nanomecánicas. Estas fuerzas tienen un origen completamente clásico y se pueden describir mediante las ecuaciones de Maxwell. Se había observado experimentalmente que estas fuerzas son atractivas pero teóricamente también podrían ser repulsivas. Li, Pernice y Tang han demostrado experimentalmente dicha predicción teórica, mostrando que la diferencia de fase entre la luz guiada por cada nanohilo controla si la picofuerza (fuerza de piconewton) entre ellos es atractiva o repulsiva. Un nuevo avance en dos campos nanotecnológicos, la nanofotónica y la nanomecánica, que promete el desarrollo futuro de un gran número de nuevos dispositivos nanomecánicas controlados nanofotónicamente. El artículo técnico es Mo Li, W. H. P. Pernice, H. X. Tang, “Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves,” Nature Photonics 3: 464-468, August 2009 (preprint gratis en ArXiv). Por cierto, la información suplementaria es de obligada lectura para los interesados en la descripción teórica del fenómeno. He de confesar que me he enterado de este interesante artículo gracias a Kanijo “Científicos descubren que la fuerza de la luz tiene una energía de “empuje”,” Ciencia Kanija, 5 agosto 2009, que nos traduce un artículo publicado por los servicios de noticias de la Universidad de Yale, a la que pertenecen los autores. El artículo de Kanijo, como no, ha llegado a portada en Menéame. Mi idea es complementar con algunas imágenes y comentarios dicha noticia.
La figura que abre esta entrada os muestra un dibujo del concepto utilizando en el experimento: dos nanohilos suspendidos sobre un sustrato por los que se propagan sendos haces de luz (figura a). La fuerza observada (del orden de piconewtons, pN) que comba los nanohilos depende de la fase relativa entre dichos haces de luz y de la distancia que separa los nanohilos (figura b y d). Para obtener la figura d, los autores han cambiado la longitud de onda de la luz que se propaga por los nanohilos entre 1529 nm. y 1562 nm. (en 330 pasos) lo que es equivalente a variar la distancia de los nanohilos entre unos 50 nm. y unos 500 nm. (ver figura d). Por supuesto, esto es mucho más fácil que fabricar 330 nanopuentes separados múltiples distancias. Es importante destacar que la luz que se propaga por los nanohilos es de una longitud de onda de 1550 nm. (nanómetros) mucho mayor que la separación “efectiva” entre los nanohilos (entre 100 y 500 nm.) de ahí que se produzca una interacción entre los campos electromagnéticos guiados por cada nanohilo.
La clave de esta demostración experimental de un fenómeno previamente predicho teóricamente ha sido la posibilidad de controlar la fase de la luz a través de las nanoguías mediante el uso de acopladores de cristal fotónico (los agujeritos que se ven en la foto b, abajo, en los puentes transversales a las dos nanoguías).
(a) imagen en el microscopio óptico del dispositivo utilizado y (b) imagen con microscopio electrónico de las dos nanoguías ópticas suspendidas y del acoplador de cristal fotónico.
El efecto del desfase entre los haces de luz en cada nanohilo lo podéis observar en la figura de abajo, obtenida mediante simulaciones numéricas. Cuando hay desfase, la onda de luz en cada nanohilo oscila de forma ligeramente diferente (colores rojo, verde y azul) apareciendo una fuerza efectiva entre cada trozo del nanohilo (la figura de abajo, superior, ilustra los posibles casos que se pueden dar), siendo la fuerza total entre ambos nanohilos la suma de todas estas fuerzas. Dependiendo del desfase la fuerza total es repulsiva o atractiva (la figura de abajo, inferior, muestra el campo electromagnético para 4 desfases diferentes).
El hormigón (una mezcla de cemento Portland, agua y arena) es el material de construcción más utilizado en el mundo. El hormigón sometido a una carga (esfuerzo) sufre una deformación lenta. Esta fluencia lenta deteriora y reduce la vida de las estructuras de hormigón. Tras décadas de investigación el origen íntimo de la fluencia lenta todavía era un misterio. Matthieu Vandamme yFranz-Josef Ulm han publicado en PNAS una posible explicación. El hormigón es como un medio granular para los nanogranos de hidrato de silicato de calcio (C–S–H), componente fundamental del cemento Portland. Estos nanogranos tienen 3 estados posibles (densidad baja o LD, alta o HD, y ultraalta o UHD) lo que provoca que se muevan entre sí (deslicen como granos de arena) en el interior del hormigón provocando la fluencia lenta. Se estima que se fabrican al año 20 mil millones de toneladas de hormigón y que solo en Estados Unidos se requieren 79 mil millones de dólares en mantenimiento de autopistas y puentes debido en parte a la fluencia lenta. Este nuevo descubrimiento permitirá que se usen técnicas de nanoingeniería para diseñar hormigones que minimicen la fluencia lenta y las pérdidas en las estructuras de hormigón que acarrea. El artículo técnico es Matthieu Vandamme, Franz-Josef Ulm, “Nanogranular origin of concrete creep,” PNAS 106: 10552-10557, June 30, 2009. El trabajo de investigación lo ha realizado el primer autor en su tesis doctoral.
Conferencia de Stuart Hameroff sobre su teoría en 2007 organizada por Google en inglés.
Hameroff y Penrose propusieron en 1996 la teoría de la reducción objetiva orquestada (Orch OR) para explicar la consciencia en nuestro cerebro como un fenómeno de computación cuántica en el citoesqueleto de las neuronas y sus axones (formado por una red de microtúbulos, cilindros cuyas paredes son cadenas alfa y beta de la proteína llamada tubulina). Proponían que la llamada condensación de Fröhlich (1968) era responsable de la formación de un estado cuántico macroscópico (a escala macromolecular) similar a un estado de la materia llamado condensado de Bose-Einstein. Esta teoría todavía no ha sido demostrada y este año se ha publicado un artículo que le ha propinado un duro varapalo, si bien no la ha refutado definitivamente. La condensación de Frölich, de producirse, no puede explicar la consciencia. Los defensores de la teoría de Hameroff (quien nos la cuenta en inglés en el vídeo de arriba) tendrán que buscar otro fenómeno cuántico para explicar la consciencia. Hameroff en su página web afirma que está en ello. Se siente, caballero, así avanza la ciencia. El artículo técnico es Jeffrey R. Reimers, Laura K. McKemmish, Ross H. McKenzie, Alan E. Mark, Noel S. Hush, “Weak, strong, and coherent regimes of Fröhlich condensation and their applications to terahertz medicine and quantum consciousness,” PNAS 106: 4219-4224, March 17, 2009 . Por cierto, los avances en neurobiología indica que los microtúbulos tienen cierto papel en la comunicación sináptica entre neuronas como canales “clásicos” de iones (sin efecto cuántico alguno), como nos cuentan recientemente Cecilia Conde, Alfredo Cáceres, “Microtubule assembly, organization and dynamics in axons and dendrites,” Nature Reviews Neuroscience 10: 319-332, 30 April 2009 .
Un estado condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se produce en un gas de átomos a muy baja temperatura en el que todos los átomos se encuentran en el mismo estado cuántico (el de mínima energía). Es como si todo el gas se comportara como un único objeto cuántico descrito por una macrofunción de onda cuántica. Predicho en 1924, fue objeto del Premio Nobel de Física de 2001, otorgado a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, y Carl E. Wieman por observar y caracterizar este estado de forma experimental (se ha logrado condensar hasta decenas de millones de átomos). La condensación de Frölich (1968) es un fenómeno muy parecido pero para un sistema de osciladores cuánticos acoplados, por ejemplo, las vibraciones de una macromolécula. Todas las partes (monómeros) de la macromolécula vibrarán en su estado de mínima energía, conduciendo a que toda la molécula se comporte como un sistema cuántico y esté descrito por una macrofunción de onda cuántica. Todavía no se ha observado experimentalmente un condensado de Frölich.
El artículo de Reimers et al. han determinado mediantes simulaciones por ordenador las características de un estado condensado de Frölich que son experimentalmente observables. Han encontrado 3 posibles tipos de estados condensados de Frölich: débiles, fuertes y coherentes. Solo estos últimos presentan un estado cuántico observable a escala macroscópica, una macrofunción de onda cuántica. Pero hay un problema. Para que se dé un estado de este tipo, coherente, es necesario que el modo fundamental de vibración tenga una energía muy alta, imposible de lograr en un contexto biológico. Más aún, serían estados muy frágiles, metaestables, destruyéndose demasiado rápido. Demasiado rápido para dar sentido a la teoría de la reducción objetiva orquestada de Penrose-Hameroff.
El trabajo de Reimers et al. considera que los estados fuertes y coherentes no se pueden dar en sistemas biológicos vivos, sólo los estados débiles. Este resultado puede interpretarse como un duro varapalo a la teoría de Penrose-Hameroff, aunque el propio Hameroff cree que no, que las conclusiones de Reimers et al. no son definitivas ya que se basan en modelos computacionales y estudios posteriores podrían encontrar alguna alternativa que se les haya pasado por alto. Por otro lado, Reimers et al. proponen que los estados débiles de Frölich podrían haber sido observados experimentalmente en las vibraciones de las microtubulina alrededor de 8′085 MHz observada experimentamlente por Pokorný en 2004. Sin embargo, este hecho tendrá que ser confirmado por estudios posteriores. Para Reimers et al. la computación cuántica de la consciencia es imposible con este tipo de estados. Para Hameroff todo lo contrario, ¿por qué no va a ser posible? ¡Qué si no va a decir este señor! Los padres siempre ven a sus hijos como los más guapos.
Los microtúbulos son para la célula viva como los pilares y las vigas de un edificio, los responsables de su estructura rígida. Los microtúbulos son polímeros formados por dos tipos de monómeros (heterodímeros), llamados formas alfa y beta de la proteína llamada tubulina (tienen una forma de C). Las cadenas de tubilina se autoensamblan en cilindros huecos. En las células vivas, los microtúbulos están comprimidos por filamentos contrátiles de actina con unos esfuerzos de unos 0.1 nN (nanonewtons).
Penrose y Hameroff propusieron que la red de microtúbulos de las neuronas y sus axones funcionan como un computador cuántico responsable de nuestra consciencia. La computación cuántica sería resultado de la sincronización de estados coherentes de Frölich entre microtúbulos, un entrelazamiento cuántico entre sus macrofunciones de onda cuánticas. La decoherencia cuántica provoca la reducción (colapso) de estas macrofunciones de onda, produciendo la señal sináptica que conduce al estado de consciencia. El vídeo de la conferencia que abre esta entrada, aunque se descarga lentamente y hay que tener paciencia, nos aclara bastante bien las ideas de Hameroff.
Una bombilla formada por una sola molécula parpadea. Fue un gran descubrimiento en su momento. Los nanocristales semiconductores lo hacen. Las proteínas fluorescentes verdes lo hacen. Ciertos polímeros lo hacen. Parpadear parece intrínseco e inevitable en el mundo nanoscópico. Hasta hoy. Wang et al. han descubierto un nanocristal que emite de forma continua. Una nanobombilla nanocristalina. Inimaginables aplicaciones en medicina. Durante 20 años muchos han tratado de fabricarla. Al final, el castillo ha caído. Nanocristales de pocos nanómetros que emiten luz con un color bien definido y controlable. Un sueño hecho realidad. Nos lo han contado hoy en Nature y hemos tenido que abrir la boca y decir ¡ohhh! Caerá el Nobel de Física. Tiempo al tiempo. Nos lo ha contado magistralmente Taekjip Ha, “Photonics: How nanocrystals lost their blink,” Nature 459: 649-650, 4 June 2009 . No sólo es importante el descubrimiento. El artículo divulgativo del Dr. Ha es casi perfecto. Un modelo a seguir sobre como divulgar. Muy recomendable su lectura para todos los “periodistas científicos” (quien esto escribe lo ha releido varias veces desde anoche y sabe que esta entrada solo puede hacerle un flaco favor). Si puedes, hazte un favor y léete el artículo del Dr. Ha, lo disfrutarás. Por cierto, el artículo técnico es Xiaoyong Wang et al. “Non-blinking semiconductor nanocrystals,” Nature 459: 686-689, 4 June 2009 . Es, lo dicho, técnico.
Los nanocristales semiconductores emiten luz en muchos y diferentes colores, pero parpadean aleatoriamente. ¿Por qué? Entenderlo ha costado 20 años pero ha merecido la pena. Wang et al. han descubierto como lograr que emitan de forma continua. Un sueño cumplido. La emisión parpadeante (aleatoria e impredecible) de los nanocristales es ideal para una discoteca. Nanodiversión garantizada. Pero en muchas aplicaciones prácticas es un problema. Hay que ver la luz emitida en el momento adecuado. Ni justo antes, ni justo después. Pero cuándo es el momento adecuado. Según la mecánica cuántica es imposible saberlo. Lo dicho, CPI, curioso pero inútil.
¿Qué truco han utilizado Wang et al. para lograr lo imposible? Había 3 trucos posibles para lograrlo, según los físicos teóricos. Dos caminos “teóricamente fáciles” que los físicos experimentales han sido incapaces de recorrer. Un camino “teóricamente difícil.” Wang et al. han elegido el camino más tortuoso. El más complicado. El más esotérico. Para el experto. Para el lego parece el más natural. Los nanocristales semiconductores tienen un núcelo y un recubrimiento superficial (que es la causa del parpadeo ¡ohhh!). Se evita el parpadeo si se fabrican nanocristales semiconductores sin recubrimiento, sin solución de continuidad entre el núcleo y la capa exterior. Parece fácil, pero cómo lograrlo. El arte. La belleza. Hacer posible lo que parecía imposible.
El problema no es lograrlo. Parecer fácil, parece fácil. Lo difícil es demostrar que se ha logrado. ¿Por qué? Porque la manera más sencilla de demostrar que la luz emitida es debida al nanocristal es el propio parpadeo. Pero si no parpadea cómo demostrar que es el responsable de la emisión. Wang et al. han utilizado un proceso llamado “antibunching” de fotones. ¿Cómo traducir este término técnico? ¿”Antiagrupamiento”? Fotones que se emiten uno a uno, a un ritmo tan rápido que sólo un nanocristal podría emitirlos. La teoría guía al experimento y guía la interpretación del experimento.
¿Para qué sirve un objeto de pocos nanómetros que emita luz de forma continua y con un color controlable? Faros para detectar lo que pasa en la nanoescala. Aplicaciones, todas las que se te ocurran y más. Una propuesta: “Una nanomáquina lee el ADN letra a letra: un sueño cumplido“ (Publicado por emulenews en Febrero 27, 2009).
A veces los científicos se comportan como niños. Ven como sus hijos juegan con Magnetix (y sus variantes), un juego para hacer figuras 3D con imanes colocados en los extremos de pequeñas barritas, y no se les ocurre otra cosa que hacer lo mismo con moléculas de ADN. Imposible. Ni mucho menos. Mero producto de las técnicas de autoensamblado molecular, que permiten fabricar con precisión estructuras tridimensionales complejas a escala subnanométrica. En esta técnica la molécula estrella es la de ADN. Los autores afirman que pronto podrán fabricar por autoensamblado cualquier figura 3D que les plazca. Lo que da pie a Thomas H. LaBean a proponer que pronto habrá artistas plásticos cuya herramienta de trabajo sean moléculas de ADN. Arte nanotecnológico. Imposible. Quien sabe. Nos lo propone en “Nanotechnology: Another dimension for DNA art,” Nature 459: 331-332, 21 May 2009 . El artículo técnico es de Shawn M. Douglas, Hendrik Dietz, Tim Liedl, Björn Högberg, Franziska Graf, William M. Shih, ”Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes,” Nature 459: 414-418, 21 May 2009 .
¿Quién será el primer artista plástico que en lugar de tallar madera se dedice a tallar bloques de moléculas de ADN? Obras que sólo podrán ser contempladas bajo microscopio electrónico.
La aparición del magnetismo en nanopartículas (“quantum dots”) de materiales que normalmente no son magnéticos es considerado como uno de los grandes descubrimientos de la nanotecnología. Nanopartículas que se comportan como imanes permanentes (ferromagnéticas) para memorias de estado sólido basadas en nanoimanes. Muchos investigadores lo creen así. Puede que estén completamente equivocados. Un estudio reciente ha mostrado que el magnetismo en estas nanopartículas es debido a los elementos químicos que se ligan a sus bordes. Han estudiado nanopartículas de cadmio-selenio (CdSe) y han observado que son paramagnéticos (su magnetismo inducido es sólo temporal) y no ferromagnéticos (con magnetismo permanente) como se había afirmado en estudios anteriores. Al no ser imanes permanentes, su utilidad en memorias magnéticas de altísima escala de integración se ve muy mermada. Nos lo cuentan brevemente en “Chemistry: Mini magnets,” Nature 459: 302-303, 21 May 2009 , haciéndose eco del artículo técnico Robert W. Meulenberg et al. “Evidence for Ligand-Induced Paramagnetism in CdSe Quantum Dots,” J. Am. Chem. Soc. 131 : 6888–6889, May 5, 2009 .
Las nanopartículas semiconductoras son extremadamente pequeñas, por ejemplo, las de CdSe tienen un radio medio entre 0.13 y 0.15 nanómetros. Estudios previos han mostrado que muchas nanopartículas exhiben un comportamiento ferromagnético en forma nanocristalina, como las de oro (Au, metal 5d9) . ¿Por qué si en forma normal no lo hacen? Se han propuesto diferentes mecanismos físicos para explicar estas propiedades pero no es fácil explicar el porqué. Ciertos estudios atribuyen estas propiedades magnéticas a defectos o errores en el experimento. Lo que se piensa que es un nanocristal puro en realidad no lo es y está ligado a impurezas de origen químico. El nuevo estudio, si se confirma, muestra de forma conclusiva que el magnetismo en las nanopartículas de CdSe se puede manipular (inducirlo y destruirlo) utilizando dopantes químicos, mostrando un comportamiento paramagnético pero no ferromagnético.
Lo dicho, si se confirma este estudio, las ilusiones de muchos por obtener memorias de estado sólido de ultraalta escala de integración se pueden esfumar. ¿A alguien se le ocurrirá como superar esta barrera?
Los cupratos están formados por capas alternas. ¿Cuántas capas planas son necesarias para observar la superconductividad? Sólo una. Un nuevo estudio experimental publicado en Science ha observado la superconductividad con una Tc de 32 K en una película “bicapa” con una sola capa metálica, dopada con zinc, LCZO, y una sola capa aislante, LCO. El dopado con zinc de toda la película de cuprato, elimina completamente la superconductividad. Cuando sólo se dopan ciertos planos, la temperatura crítica se reduce de 32 K a solo 18 K. Logvenov y sus colegas han dopado con zinc un solo plano de una “bicapa” y han observado que la Tc se mantiene en 32 K. Interpretan su experimento como que el origen de las superconductividad se encuentra en la capa monoatómica que hace de interface entre ambas capas de la bicapa, la metálica y la aislante. Han fabricado esta estructura utilizando la técnica de epitaxia por haces moleculares (MBE). El trabajo es un gran avance experimental que no sólo aporta gran información para los teóricos sino que además tendrá múltiples aplicaciones que requieren capas superconductoras ultradelgadas. El artículo técnico es G. Logvenov, A. Gozar, I. Bozovic, “
necesario para cambiar el estado cuántico de un sistema está acotado por 
donde 
, 
es el hamiltoniano del sistema y 
su función de onda. Por otro lado, una desigualdad obtenida por Margolus y uno de los autores, Levitin, en 1998, dada por 
donde 
es la energía media del sistema cuántico (supuesto que el estado de menor energía tiene asignado un valor cero). Levitin y Toffoli en el nuevo artículo generalizan ambas desigualdades demostrando que
,
. Esta desigualdad generaliza las dos anteriores de una forma aparentemente trivial, pero requiere un análisis cuidadoso. Para 
las dos desigualdades anteriores coinciden entre sí. Para 
han demostrado que para todo 
existe una familia de estados 
tales que 
, y que para 
existe una familia de estados 
. Esto completa el círculo y muestra que la nueva desigualdad comprende a los dos anteriores como casos particulares y las unifica.
James Clerk Maxwell y Heinrich Hertz demostraron teórica y experimentalmente que la luz es una onda electromagnética. En las longitudes de onda ópticas los experimentos han logrado medir solamente la componente eléctrica del campo ya que la componente magnética es muchísimo más débil. Burresi et al. han logrado la primera medida directa de las componentes magnéticas de la luz a la salida de una fibra óptica de vidrio gracias a una sonda metálica nanoestructurada, una especie de microscopio por efecto túnel óptico. La microscopía óptica por campo cercano (SNOM o scanning near-field optical microscopy) permite observar la luz a una distancia menor que una longitud de onda (de dicha luz), es decir, su resolución no está limitada por la difracción de Abbe. Para la luz infrarroja en una fibra óptica, este límite difractivo impide observar la luz en distancias menores de 500 nm. (nanómetros). Gracias a la nueva técnica se han podido observar las características ópticas en la nanoescala de los campos magnéticos en pulsos de luz. Nos lo cuentan Harald Giessen, Ralf Vogelgesang, “
“Javier Morales, estudiante del doctorado en la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, junto a su director de tesis, Víctor Castaño, y su colaborador Luis Miguel Apátiga, ambos de la UNAM, lograron titulares de famosas revistas de investigación como Science, NewScientist, The Telegraph, etc. Javier Morales estudió para su tesis doctoral la cinética molecular de los precursores empleados en la formación de diamante y encontró que cualquier orgánico “corregido con agua” para cambiar la relación atómica carbón-hidrógeno-oxígeno es útil como precursor en la formación de películas de diamante. Una de sus tantas noches interminables de búsquedas, vio en sus cálculos que ocupaba 40 por ciento de etanol y 60 por ciento de agua. Por casualidad su esposa le recordó que debían comprar un tequila y la respuesta que obtuvo fue: “¡Sí, con tequila también se puede! ¿De que hablas? –preguntó ella. No, olvídate, duérmete.” Y en el siguiente experimento obtuvo películas de diamante a partir de etanol, metanol corregido con agua, y también con tequila solo. Han publicado dos artículos en revistas indexadas internacionales, otros dos se han enviado para su publicación y cuentan con once participaciones en congresos nacionales e internacionales. Las aplicaciones son muchas y van desde un recubrimiento de diamante en herramientas de corte o dados de trefilado, el diamante se puede dopar como el silicio, es decir, se puede hacer toda una electrónica basada en el diamante como semiconductor, la diferencia es que el diamante es mucho más resistente a la temperatura y a la corrosión, las nuevas computadoras o dispositivos electrónicos pudieran soportar condiciones muy severas de operación. El diamante es una estructura muy estable. Se hace con átomos de carbón… si tú agarras carbón del que usas para asar la carne y los pones a alta presión, a alta temperatura, llega un momento en que la interacción de los átomos ya no soportan esas condiciones, se reagrupan con otros enlaces y forman los diamantes.”
![Dibujo20090604_[a]_Electron_micrograph_CdZnSe-ZnSe_nanocrystal_diameter_5_nm_[b]_Photoluminescence_image_[c]_Time_dependent_photoluminescence_intensity](http://francisthemulenews.files.wordpress.com/2009/06/dibujo20090604_a_electron_micrograph_cdznse-znse_nanocrystal_diameter_5_nm_b_photoluminescence_image_c_time_dependent_photoluminescence_intensity.jpg?w=600&h=147 "Dibujo20090604_[a]_Electron_micrograph_CdZnSe-ZnSe_nanocrystal_diameter_5_nm_[b]_Photoluminescence_image_[c]_Time_dependent_photoluminescence_intensity")
