Un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper

Los pares de Cooper en un superconductor son parejas de electrones que se comportan como bosones; el estado superconductor es un condensado de Bose-Einstein de los pares de Cooper. Como son bosones, se puede diseñar un láser de pares de Cooper, llamado láser Josephson. Lei Chen (Universidad de Darmouth, Hanover, New Hampshire, EEUU) y sus colegas han logrado fabricar un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper. Una fuente de pares de Cooper  uno a uno. Un láser Josephson se basa en introducir un transistor de pares de Cooper (CPT) en una cavidad resonante (CPW), donde los pares de Cooper pueden interaccionar con fotones de forma coherente. El CPT tiene dos estados, |0> que corresponden al estado fundamental de los pares de Cooper y |1> que es el estado excitado con un solo par de Cooper. Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia de la cavidad óptica de forma adecuada, el acoplo entre fotones y pares de Cooper conduce a la emisión de forma periódica pares de Cooper individuales mediante la transición |1> → |0>. El nuevo láser promete aplicaciones fotónicas, como la generación de fotones de incertidumbre mínima en amplitud (llamados «comprimidos» o squeezed) y para el estudio básico de la dinámica cuántica de los sistemas no lineales. El artículo técnico es Fei Chen et al., «A Single-Cooper-Pair Josephson Laser,» arXiv:1311.2042 [cond-mat.supr-con], 08 Nov 2013.

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.

Análogo óptico de laboratorio a una lente gravitacional

La teoría de la relatividad general predice el efecto de lente gravitacional, la curvatura de la luz en la proximidad de un objeto estelar masivo. C. Sheng (Univ. Nanjing, China) y sus colegas han usado una guía de ondas óptica microestructurada alrededor de una microesfera para imitar el espaciotiempo curvo causado por la gravedad y su efecto como lente gravitacional sobre la luz. La microesfera está incrustada en un polímero PMMA que actúa como guía de ondas plana y distorsiona el índice de refracción efectivo de la guía, imitando la curvatura del espaciotiempo. Un modelo de «juguete» (toy model) para estudiar en laboratorio las lentes gravitacionales descritas por la relatividad general. El artículo técnico es C. Sheng et al., «Trapping light by mimicking gravitational lensing,» Nature Photonics, AOP 29 Sep 2013. Recomiendo leer a Ulf Leonhardt, «Transformation optics: Gravitational lens on a chip,» Nature Photonics, AOP 20 Oct 2013.

Soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell en forma de nudos de luz

En 1989 Antonio Fernández Rañada (Univ. Complutense, Madrid) introdujo una solución tridimensional de las ecuaciones de Maxwell con la topología de un nudo, a la que llamó hopfión (porque se inspiró en el fibrado de Hopf), que en 2008 se demostró de forma experimental. Hridesh Kedia (Universidad de Chicago, Illinois, EEUU) y sus colegas, entre ellos el español Daniel Peralta-Salas (contratado Ramón y Cajal en el Instituto de Ciencias Matemáticas, CSIC, Madrid), han encontrado una familia de soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell en forma de nudos tipo trébol (tres lazos), con cinco lazos e incluso más. Estas soluciones para un campo electromagnético clásico son de tipo campo nulo, porque los dos invariantes de las ecuaciones de Maxwell tienen valor nulo (en concreto, en todo punto el campo eléctrico es ortogonal (perpendicular) al magnético y ambos campos tienen idéntico módulo). La nueva familia de soluciones tipo nudo es estable y permite formar cadenas de nudos enlazados unos con otros. Todavía no se han verificado de forma experimental en laboratorio, pero nada parece impedir que sea posible (utilizando alguna variante de la técnica utilizada en 2008 para producir el hopfión). El artículo técnico es Hridesh Kedia, Iwo Bialynicki-Birula, Daniel Peralta-Salas, William T. M. Irvine, «Tying Knots in Light Fields,» Phys. Rev. Lett. 111: 150404, 10 Oct 2013. El artículo que introdujo el hopfión es Antonio Fernández Rañada, «A topological theory of the electromagnetic field,» Letters in Mathematical Physics 18: 97-106, Aug. 1989, y el que lo observó en laboratorio es William T. M. Irvine, Dirk Bouwmeester, «Linked and knotted beams of light,» Nature Physics 4: 716-720, Aug. 2008.

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.

Cómo medir la velocidad de un objeto móvil ultralento

El cartomago argentino René Lavand siempre repite que «no se puede hacer más lento.» El efecto Doppler permite medir de forma remota la velocidad de un cuerpo en movimiento gracias a la luz que refleja (es lo que hacen las pistola de radar de la policía), pero para un cuerpo ultralento el cambio en frecuencia es minúsculo. Se publica en Optics Letters un método capaz de medir una velocidad de una billonésima de metro por segundo, al detectar corrimientos Doppler menores de 1 µHz con un tiempo de integración de sólo un segundo. El secreto es combinar un «medio de luz lenta» (usan un cristal líquido) y un interferómetro. La luz de un láser se separa en dos haces, uno que incide en el medio de luz lenta y otro que se refleja en el objeto móvil para luego entrar en dicho medio; comparando la frecuencia de ambos haces de luz una vez fuera del medio se logra medir su diferencia en frecuencia con gran precisión. El artículo técnico es Umberto Bortolozzo, Stefania Residori, John C. Howell, «Precision Doppler measurements with steep dispersion,» Optics Letters 38: 3107-3110, 2013. Más información en Angela Stark, Lyndsay Meyer, «Researchers Slow Light to a Crawl in Liquid Crystal Matrix,» OSA News, Aug 13, 2013.

En el 31 cumpleaños del CD, un repaso a su evolución hasta el Blu-ray

El Compact Disc (CD) ha cumplido 31 años. Luis Quevedo ‏(@luis_quevedo) nos lo recordó con un tuit: «el 31 de agosto de 1982, se anunciaba en Tokyo el lanzamiento del primer sistema de CD por parte de Sony, CBS/Sony, Philips y Polygram.» Acompañó su tuit con esta figura (fuente original) que muestra la evolución de la tecnología de almacenamiento óptico de datos desde el CD de música hasta el Blu-Ray, pasando por el DVD y HD DVD. La figura ofrece mucha información, como el cambio de la frecuencia (color) del láser, la distancia entre pistas, el tamaño de los pits (marcas que representan los bits) y el diámetro del punto de luz sobre la pista de datos. Le prometí a Luis una explicación de la figura y toda promesa es una deuda. Por cierto, la primera vez que me enteré de la física del CD fue en el artículo de John A Cope, «The physics of the compact disc,» Physics Education 28: 15-21, 1993. En aquella época yo pasaba muchas horas en la hemeroteca todas las semanas. Algunas figuras de esta entrada están extraídas del «White Paper Blu-ray Disc™ Format General,» 3rd Edition, December, 2012.

Optogenética: El control de la expresión de genes usando luz

La optogenética consiste en acoplar proteínas fotosensibles a otras proteínas y lograr el control de su función; hoy se usa para activar y desactivar las sinapsis de neuronas mediante pulsos de luz que actúan sobre los canales iónicos y las bombas de iones en sus membranas. Nature publica una nueva técnica optogenética para regular la expresión de genes in vivo y de forma no invasiva usando luz láser de diferentes colores; la regulación de la actividad enzimática tiene gran número de aplicaciones y la nueva técnica tiene múltiples ventajas respecto a otras técnicas anteriores. Nos lo cuentan Andreas Möglich, Peter Hegemann, «Biotechnology: Programming genomes with light,» Nature 500: 406–408, 22 Aug 2013, que se hacen eco del artículo técnico de Silvana Konermann et al., «Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states,» Nature 500: 472–476, 22 Aug 2013.

Francis en Trending Ciencia: Logran parar pulsos de luz durante un minuto

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

He elegido como tema una noticia que Nuño Domínguez, periodista científico de esMateria.com, ha titulado como «Récord mundial: Científicos alemanes detienen la luz durante un minuto.» Nos cuenta que «en el laboratorio de física cuántica que dirige Thomas Halfmann (…) en la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania (…) [han paralizado] un rayo de luz durante un minuto: todo un récord mundial que casi multiplica por cuatro el anterior. El avance técnico es un importante paso hacia (…) una especie de internet [imposible de hackear] que funcione con luz y en el que los mensajes vayan [cifrados] usando fotones. Cualquier intento de interferir en esos fotones destruiría la clave o el mensaje que transportan, lo que hace que la clave sea teóricamente inexpugnable. Pero para poder enviar mensajes con fotones [hay que] construir (…) una memoria informática que los guarde [todo el tiempo que sea necesario].»

Nuño Domínguez nos cuenta esMateria.com que «la técnica de Halfmann consiste en disparar un primer rayo láser de control a un cristal opaco, lo que lo vuelve transparente. Después se dispara un segundo láser, que lleva un mensaje, en este caso una imagen. En ese momento se apaga el primer rayo láser y el mensaje queda encerrado en el cristal. Aplicando campos magnéticos Halfmann logra que los átomos del cristal retengan la luz durante un tiempo récord, [sesenta segundos], un minuto. Después se enciende el primer láser, el cristal vuelve a tornarse transparente y la luz congelada en el tiempo vuelve a correr, transmitiendo su mensaje. Por ahora no han llegado al régimen de un solo fotón que se necesita para las memorias cuánticas.»

Algunos comentarios en Twitter me han llamado la atención. Unos por creer que se ha logrado parar los fotones individuales (algo obviamente imposible por definición de fotón). Otros por creer que se ha logrado a alta temperatura, mal interpretando la frase de Nuño Domínguez en esMateria.com: «Este mismo año, otro equipo de EEUU logró el récord [anterior] al retener la luz durante 16 segundos dentro de una nube de gas a unos 273 grados bajo cero, algo que ahora ha quedado totalmente pulverizado con la Transparencia Inducida Electromagnéticamente (EIT, en inglés) usada por Halfmann.» El nuevo récord de 60 segundos se ha logrado con el cristal enfriado a 4 Kelvin, es decir, a 269 grados bajo cero. De hecho, poder aplicar la nueva técnica a pocos fotones, o incluso a un sólo fotón, con seguridad requerirá bajar la temperatura a unos micro- o nano-Kelvin. Permíteme una discusión sobre el nuevo resultado técnico de Halfmann y sus colegas, cuyo mayor interés es que se ha utilizado un cristal, un dispositivo de estado sólido, en lugar de un gas de átomos ultrafríos o un condensado de Bose-Einstein.

Trazan la historia evolutiva de la iridiscencia en los gorgojos

Un estudio de los cristales fotónicos responsables de la iridiscencia de los gorgojos y picudos, la familia de coleópteros llamados curculiónidos (Curculionidae), indica que estas nanoestructuras cristalinas (ópalos) comparten un origen evolutivo común. La quitina, componente principal del exoesqueleto de los insectos, adopta estructuras cristalinas que han sido caracterizadas con un sincrotrón de rayos X de alta energía y mediante el microscopio electrónico de barrido. El análisis genético ha mostrado una buena  correlación entre estas estructuras cristalinas y el ADN de los gorgojos, lo que ha permitido inferir que «evolucionaron a partir de un «ancestro» común.» Se especula que durante el desarrollo, las membranas internas en las escamas se auto-ensamblan de diferentes formas actuando como andamios temporales para la deposición de la quitina. Este tipo de auto-organización espontánea reviste mucho interés aplicado en ciencia de materiales para el desarrollo de nuevos materiales fotónicos que sean biodegradables y que eviten los problemas de toxicidad de los polímeros (plásticos) usados en la actualidad. Nos lo cuenta Elizabeth Pennisi, «Diverse Crystals Account for Beetle Sheen,» Science 341: 120, 12 Jul 2013, que se hace eco de una ponencia en el último congreso Evolution 2013.

La iridiscencia es el resultado de la microestructura del caparazón de los gorgojos que refleja la luz con diferentes colores en función del ángulo de visión. Se llama cristal fotónico a los cristales con microestructura en la escala de la longitud de onda de la luz visible. ¿Cómo es posible que la evolución (que afecta al ADN) haya dado lugar a la microestructura de estos cristales en diferentes gorgojos? Se cree que la clave está en el autoensamblado durante el desarrollo del exoesqueleto. Se desarrollan ciertas membranas que dejan un cierto número de huecos; más tarde se rellenan estos huecos y las membranas con quitina, formándose la microestructura responsable de los colores reflejados. Esta hipótesis deberá ser verificada con estudios embrionarios específicos.