Algunos artículos de Física en Nature Communications

Una barra en voladizo (fija por un extremo) es el prototipo de los sistemas micromecánicos para la medida ultrasensible de masas y de fuerzas en la nanoescala. Este sistema presenta una resonancia estocástica que hace que su movimiento oscilatorio bifurque entre dos estados estables en respuesta a un ruido blanco (biestabilidad debida a una amplificación paramétrica). Este fenómeno permite usar este sistema micromecánico para medir señales muy débiles incluso en un medio ambiente muy ruidoso.

El artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Warner J. Venstra, Hidde J. R. Westra, Herre S. J. van der Zant, «Stochastic switching of cantilever motion,» Nature Communications 4: 2624, 31 Oct 2013 (ver también Warner J. Venstra et al., «Mechanical stiffening, bistability, and bit operations in a microcantilever,» arXiv:1011.1309 [cond-mat.mes-hall]).

Francis en @TrendingCiencia: El levitón que transporta un electrón individual en un conductor

Puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido un artículo aparecido en la revista Nature el pasado 31 de octubre titulado «Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons» («estados de excitación mínima para la óptica cuántica de electrones usando levitones») cuyo autor principal es Christian Glattli, del Grupo de Nanoelectrónica del IRAMIS, en el centro CEA de Saclay, Francia, centro que pertenece al CNRS Francés, y la primera autora es Julie Dubois. El artículo presenta la observación experimental de un nuevo tipo de onda solitaria o solitón bautizada como «levitón». Los levitones son cuasipartículas formados por un número entero de electrones y se pueden usar para transportar electrones individuales a través de un conductor, es decir, actúan como fuentes de electrones individuales bajo demanda, lo que les hace tener múltiples aplicaciones en nanoelectrónica cuántica.

Por cierto, en el título del artículo técnico se habla de óptica cuántica de electrones, que también se traduce por óptica cuántica electrónica, quizás te preguntes qué es: se trata de usar técnicas con electrones en materiales conductores que están inspiradas en la óptica cuántica. Pero vayamos al grano, ¿qué son los levitones? Y lo más importante, ¿cómo han sido observados?

El nuevo artículo técnico es J. Dubois et al., «Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons,» Nature 502: 659–663, 31 Oct 2013. El podcast también está inspirado en Christian Flindt, «Quantum physics: Single electrons pop out of the Fermi sea,» News & Views, Nature 502: 630–632, 31 Oct 2013. Para los francófonos «Les lévitons : des électrons sans bruit pour l’optique quantique électronique,» IRAMIS, CEA Saclay, 29 Oct 2013.

Francis en ¡Eureka!: Nanocristales para ventanas inteligentes

Ayer se inició la nueva temporada de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero. Puedes escuchar el audio siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces para profundizar.

Muchos jóvenes científicos españoles se ven obligados a emigrar en el mejor momento de sus carreras y están logrando grandes éxitos fuera de España. La noticia de hoy es sobre una joven catalana que emigró a EEUU. Anna Llordés realizó su tesis doctoral en nanocristales en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, que pertenece al CSIC, y la defendió en el año 2010 en la Universidad Autónoma de Barcelona. Tras la tesis emigró a EEUU, como postdoc en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Al final, desde mayo de 2013, está contratada allí como investigadora, pero mantiene colaboraciones con sus compañeros españoles en el campo de los nanocristales, como Jaume Gázquez. Ha sido noticia que su último artículo sobre la aplicación de los nanocristales a ventanas inteligentes ha llegado a portada de la prestigiosa revista Nature, quizás la más prestigiosa del mundo. Un logro que pocos españoles han conseguido.

Más información en «Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes,» 22 Ago 2013. El artículo técnico es Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, “Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,” Nature 500: 323–326, 15 Aug 2013. Más información en español en «Ventanas inteligentes con nanocristales permiten regular luz y calor,» ALT1040, que incluye un vídeo promocional en inglés de la empresa.

Superconductores cuya temperatura crítica es insensible a la densidad de portadores

El secreto de los superconductores de alta temperatura es uno de los problemas más importantes de la física teórica actual. Cada año se descubren nuevas e inesperadas propiedades de los cupratos y pnicturos. Se publica en Nature que hay cupratos cuya temperatura de transición Tc es insensible a la densidad de portadores. Se ha estudiado una estructura bicapa formada por una película de un cuprato aislante, La₂CuO₄, y otra de uno metálico, La_2-xSr_xCuO₄, en la que se ha variado el porcentaje de dopado x entre 0,15 y 0,47; la sorpresa para los autores del estudio es la temperatura crítica Tc no cambia (aunque otras propiedades como la resistencia Hall cambian en un orden de magnitud). Nadie tiene una explicación a algo tan exótico e inesperado, que además pone en problemas varias teorías prometedoras para explicar los superconductores de alta temperatura. Lo apasionante de este campo es que conforme crece el número de experimentos, el número de incógnitas a resolver también crece. Sin lugar a dudas quien idee una teoría que explique el comportamiento superconductor de cupratos y pnicturos observado en los experimentos merecerá un Premio Nobel inmediato, pues habrá logrado explicar muchas más cosas que la mayoría de los laureados con este premio; aunque quizás no haya una única teoría, sino una red compleja de diversas teorías que explican la superconductivdad a alta temperatura en diversos materiales y en diversas circunstancias. El artículo técnico con el nuevo descubrimiento es J. Wu et al., «Anomalous independence of interface superconductivity from carrier density,» Nature Materials, Published online 04 August 2013.

Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes

Se llaman ventanas «inteligentes» a las que tienen un vidrio que absorbe de forma selectiva la luz visible y el infrarrojo cercano cuando se le aplica un voltaje, cambiando su grado de transparencia a la luz y al calor exterior. Estas ventanas inteligentes permiten reducir la demanda energética de un edificio (en iluminación y climatización). Jaume Gazquez (ICMAB-CSIC, Univ. Aut. Barcelona) y varios colegas de la Univ. California en Berkeley publican en Nature un nuevo material electrocrómico compuesto de nanocristales de óxido de indio y estaño (ITO) incrustados en un vidrio de óxido de niobio. Una de las ventajas más interesantes del nuevo material es que permite un control separado de la absorción de luz en el visible y en el infrarrojo cercano, es decir, en una ventana inteligente se podrán controlar de forma separada e independiente la transparencia óptica y térmica. El rendimiento del nuevo material es mucho mejor de lo esperado, aunque hay resolver algunas cuestiones técnicas antes de que este nuevo material pueda ser usado en ventanas en nuestras viviendas (hay que seleccionar mejores materiales para los electrodos y conviene usar un electrolito sólido en lugar de líquido). Aún así, se trata de un trabajo muy prometedor. Nos lo cuenta Brian A. Korgel, «Materials science: Composite for smarter windows,» Nature 500: 278–279, 15 Aug 2013, que se hace eco del artículo técnico de Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, «Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,» Nature 500: 323–326, 15 Aug 2013.

Hacia los discos duros del futuro gracias al pigmento rojo de los Ferrari Roadster

La capacidad de almacenar datos de los discos duros ha crecido en un factor de 10.000 en los últimos 30 años gracias, entre otros avances, a la magnetorresistencia gigante (GMR), Premio Nobel Física 2007. Se publica en Science un nuevo avance, la GMR a temperatura ambiente en nanohilos moleculares de DXP (cada uno con un nanómetro de diámetro) incrustados en cristales de zeolita. El DXP es el pigmento utilizado por Ferrari para lograr el color rojo de la pintura de sus Roadster y no es una molécula magnética, pero se aprovecha el espín (momento magnético intrínseco) de sus electrones. Los electrones en la molécula no pueden moverse por ella (saltar de un átomo a otro, entre los átomos azules en la figura) cuando tienen el espín orientado en la misma dirección (lo prohíbe el principio de exclusión de Pauli) por lo que aparece una gran resistencia eléctrica. Sin embargo, al aplicar un campo magnético externo algunos espines cambian su dirección y los electrones pueden moverse por la molécula, bajando la resistencia. La conductividad cambia en un factor de 2000% (todo un récord comparado con el 600% de los materiales usados en los discos duros actuales) mostrando el fenómeno de GMR con una magnitud nunca vista antes (recuerda que la magnetorresistencia colosal es otra cosa). Más aún, este fenómeno se observa a temperatura ambiente. Por supuesto, todavía es muy pronto para ver discos duros basados en esta tecnología en el mercado. Como se almacenará la información en nanohilos es necesario usar la punta de un microscopio de fuerza atómica para leer y escribir, lo que complica mucho su incorporación a la tecnología actual de los discos duros. Pero tiempo al tiempo, la imaginación de los físicos y los ingenieros parece que no tiene límites. Este nuevo descubrimiento es como un Ferrari Roadster que nos lleva a toda velocidad hacia los discos duros del futuro. Nos lo cuenta Robert F. Service, «Hypersensitive Wires Feel the (Electromagnetic) Force,» ScienceNOW, 4 Jul 2013, siendo el artículo técnico R. N. Mahato et al., «Ultrahigh Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires,» Science Express, Jul 4, 2013 [DOI].

Francis en ¡Eureka!: Pinzas ópticas con luz de momento angular transversal

Ya puedes oír el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción libre del audio y algunos enlaces.

Muchos oyentes saben que la luz del Sol puede usarse para diseñar naves espaciales a modo de «barco de vela solar» que en lugar del empuje del viento usan el empuje de la luz del Sol. La luz puede ejercer una fuerza sobre el objeto en el que incide. Según la mecánica cuántica, la luz es un chorro de partículas llamadas fotones. Estas partículas tienen energía y momento lineal, por ello cuando chocan contra un objeto lo empujan. Un objeto iluminado experimenta un retroceso, pero esta fuerza es muy pequeña, por ello en la vida diaria no lo notamos. Una vela solar consiste en una gran superficie, como la vela de un barco, formada por una lámina muy ligera en forma de espejo que es capaz de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar para obtener impulso. Las velas solares logran una aceleración muy pequeña, pero como el empuje sobre la vela se aplica de forma continua, una sonda espacial provista de vela solar podría alcanzar velocidades muy grandes. De hecho, se ha dicho que las velas solares son la única tecnología conocida que algún día podría llevarnos a otras estrellas. Esta semana ha sido noticia algo que mucha gente no sabe, que la luz, además de momento lineal, también tiene momento angular.

El artículo técnico es Peter Banzer, Martin Neugebauer, Andrea Aiello, Christoph Marquardt, Norbert Lindlein, Thomas Bauer, Gerd Leuchs, «The photonic wheel – demonstration of a state of light with purely transverse angular momentum,» Journal of the European Optical Society, 2 May 2013. Más información en español en Pedro Donaire, «La invención de la rueda de luz,» BitNavegantes, 27 Jun 2013, que traduce a «The invention of the light wheel,» Max Planck Institute, Jun 24, 2013.

Francis en Trending Ciencia: Nanotermómetros

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre una transcripción del audio, enlaces a los artículos técnicos y algunas imágenes.

Un artículo publicado el pasado 13 de junio en la revista Nature, entre cuyos autores se encuentran Juan Carlos Cuevas y Linda Angela Zotti, investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Junto a otros colegas de la Universidad de Michigan (EEUU) han estudiado la disipación de calor en nanodispositivos utilizando un dispositivo de medida que podemos bautizar sin rubor como nanotermómetro. El nuevo termómetro a escala nanométrica es una sonda en forma de punta, similar a la utilizada en un microscopio por efecto túnel, capaz de medir la cantidad de calor disipado en un nanocircuito formado por átomos y moléculas individuales. Estudiar la disipación de calor en los nanocircuitos tales como nanocables semiconductores, heteroestructuras semiconductoras, nanotubos de carbono, grafeno y muchos otros es fundamental para el futuro desarrollo de la nanoelectrónica. Por ello, el nuevo nanotermómetro es un avance realmente espectacular.

El artículo técnico es Woochul Lee et al., «Heat dissipation in atomic-scale junctions,» Nature 498: 209–212, 13 Jun 2013. Más información en español en UAM, «Esclarecen cómo se disipa el calor en dispositivos nanotecnológicos,» SINC, 12 jun 2013.

Supongo que ya sabrás que el trasporte de electricidad por un cable o por un circuito eléctrico viene acompañado del calentamiento del cable o del circuito. El transporte de carga eléctrica siempre lleva asociada la disipación de calor por efecto Joule, descubierto en 1841 por el físico inglés James Prescott Joule, uno de los padres de la Termodinámica. Este efecto describe el calentamiento de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica. En nuestros hogares hay muchos dispositivos basados en el efecto Joule, como secadores de pelo, calentadores de agua, incluso las bombillas de filamento se calientan por este efecto. El origen del efecto Joule son las colisiones de los electrones contra los iones de la estructura cristalina del material que atraviesan a su paso. El calor es el movimiento de estos iones respecto a sus posiciones de equilibrio y como este movimiento es acelerado por la interacción con los electrones, el conductor se calienta.

Todos los circuitos electrónicos se calientan y por ello los ordenadores requieren aletas de disipación de calor, ventiladores y otros sistemas de refrigeración. En los dispositivos a escala nanométrica el calor se disipa mediante la excitación de fonones, el modelo cuántica de las vibraciones de la estructura cristalina del material. Los autores del nuevo artículo publicado en Nature, entre ellos el español Juan Carlos Cuevas de la Universidad Autónoma de Madrid, han desarrollado unos nanotermómetros están formados por un electrodo recubierto en su exterior por una capa de oro conectada a un termopar de oro-cromo mediante una película delgada (de unos 70 nanómetros) de nitruro de silicio. A partir de la corriente medida en el termopar se puede inferir la cantidad de calor transferido en la punta del nanotermómetro cuando ésta se acerca al nanodispositivo que se esté estudiando.

Si el microscopio de efecto túnel revolucionó nuestra visión del mundo en la nanoescala, el nuevo nanotermómetro promete revolucionar nuestra comprensión de la disipación de calor en átomos y moléculas. Más aún, también demuestra el buen estado de la nanotecnología y de las nanociencias en general en España.

Coda final. Si aún no has escuchado el audio de mi podcast sobre Física para Trending Ciencia sigue este enlace.

Nanopartículas de insulina autorreguladas por glucosa para diabéticos

Diabetes mellitus es un trastorno de la regulación de la glucosa que afecta a unas 366 millones de personas en todo el mundo. El tratamiento ideal para los pacientes sería un sistema artificial con un control en «bucle cerrado» capaz de imitar la actividad del páncreas y liberar insulina en respuesta a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. Zhen Gu (MIT, EEUU) y sus colegas han desarrollado un sistema de liberación de insulina auto-regulado por el nivel de glucosa basado en una red polimérica inyectable y biodegradable. El sistema está basado en nanopartículas cargadas que encapsulan insulina y enzimas que detectan el nivel de glucosa (en concreto, glucosa oxidasa GOx). Las nanopartículas se unen electrostáticamente entre sí formando un material poroso nanocompuesto (nanocomposite) capaz de liberar insulina en respuesta a las concentraciones de glucosa. El sistema se puede administrar por vía subcutánea y ha sido probado in vivo en ratones con diabetes mellitus tipo 1. Una sola inyección estabilizó los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante 10 días. Todavía es muy pronto para hablar de pruebas en humanos, pero esta tecnología me parece muy prometedora. El artículo técnico es Zhen Gu et al., «Injectable Nano-Network for Glucose-Mediated Insulin Delivery,» ACS Nano 7: 4194–4201, May 2, 2013.

Nueva técnica de fabricación de nanopartículas de composición variable

María Ibáñez y Andreu Cabot, del Departament d’Electrònica, Univ. Barcelona, ​​España, nos cuentan en Science que se ha desarrollado una nueva técnica para fabricar nanopartículas utilizando nanocristales como molde que permite cambiar la composición de una manera controlado hasta extremos que hace poco parecían imposibles. La nueva técnica de fabricación tiene muchas aplicaciones potenciales, desde en electrónica hasta en catálisis química o en biotecnología. En su artículo Maria Ibáñez, Andreu Cabot, «All Change for Nanocrystals,» Science 340: 935-936, 24 May 2013, se hacen eco de Myoung Hwan Oh et al., «Galvanic Replacement Reactions in Metal Oxide Nanocrystals,» Science 340: 964-968, 24 May 2013.