El más rápido imposible en dispositivos optoelectrónicos basados en nanoheteroestructuras semiconductoras

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Físicos europeos publican en Nature el más rápido imposible en dispositivos optoelectrónicos a temperatura ambiente. Fotones ultraenergéticos con periodo de 12 fs (femtosegundos) excitan electrones que saltan entre dos niveles de energía de pozos cuánticos en una nanoheteroestructura semiconductora de AlGaAs/GaAs. El salto cuántico requeriría fotones con un periodo de 37 fs, por tanto se ha logrado un proceso “casi” instantáneo, ya que el proceso ocurre 3 veces más rápido de lo que cabría esperar (compárense los 12 fs con los 37 fs). La conmutación ultrarrápida del estado de un sistema cuántico provocada por una excitación con un pulso de luz ultraenergético abre un gran número de aplicaciones prácticas, tanto en comunicaciones ópticas como en metrología cuántica. Nos lo comentan en Claire Gmachl, “Quantum optoelectronics: Swift switch of the strong,” News and Views, Nature 458: 157-158, 12 March 2009 , haciéndose eco del artículo técnico G. Günter et al. “Sub-cycle switch-on of ultrastrong light-matter interaction,” Nature 458: 178-181, 12 March 2009 .

¿Qué significa que un cambio en algo sea casi instantáneo? En física, que el cambio sea mucho más rápido que un único ciclo oscilatorio de la luz involucrada en el proceso. Parecía imposible pero se ha logrado y a temperatura ambiente. Günter y colaboradores han diseñado una estructura semiconductora formada por 50 pozos cuánticos en los que los electrones de la banda de conducción pueden estar en sólo dos niveles de energía. Esta heteroestructura está formada por 50 capas alternas de 9 nm (nanómetros) de arseniuro de galio (GaAs), y de 30 nm de arseniuro de galio y aluminio (Al0.33Ga0.67As). Esta nanoheteroestructura está diseñada para que los electrones de la banda de conducción en cada pozo de potencial sólo puedan estar en 2 niveles energéticos. Un electrón en el nivel de energía más bajo es excitado al nivel más alto mediante la absorción de luz a una frecuencia (color) apropiada. Por el contrario, un electrón “excitado” en el nivel más alto de energía puede volver al nivel más bajo de energía emitiendo espontáneamente un fotón a dicha frecuencia. La anchura de los pozos de potencial determina la diferencia entre ambos niveles de energía. Günter y sus colegas han elegido esta diferencia igual a 113 meV (milielectrónvoltio), con lo que la luz “apropiada” es la que tiene un periodo de sólo 37 fs (femtosegundos, 10^{-15} segundos).

¿Qué pasa si un pulsos de control de 12 fs (fotones con una energía de 1.55 eV) sobre esta nanoheteroestructura? Los electrones en el nivel inferior de energía se excitan y saltan al nivel superior de forma prácticamente instantánea, desde el punto de vista físico, ya que el proceso ocurre más de 3 veces más rápido de lo que cabría espera Günter y sus colegas han demostrado una conmutación ultrarrápida en el estado de un sistema cuántico provocada por una excitación con un pulso de luz ultraenergético.

El análisis físico detallado de este proceso requiere utilizar técnicas de electrodinámica cuántica (QED) en el régimen no es adiabático (lejos del equilibrio). La interacción materia-luz observada está mediada por polaritones en la heteroestructura interpretada como una cavidad óptica. Sin entrar en más detalles técnicos se abre un nuevo campo de la física con un prometedor futuro.

La física salvará al mundo de la crisis económica, según los británicos del IOP

dibujo20090314bethtayloriopabstractEl titular quizás suena muy fuerte, pero así han interpretado desde el británico Institute of Physics (IOP) las palabras del Primer Ministro, Gordon Brown, secuela natural de las propias al respecto de Barack Obama. Beth Taylor, Director de Comunicaciones del IOP dijo que “es maravilloso que nuestro Primer Ministro haya pronunciado al fin un discurso centrado en la ciencia como la ruta para la recuperación económica y para forjar un futuro saludable a largo plazo para nuestro país.”

Más aún, “afirma que uno de los mayores problemas a los que nos enfrentamos es la falta de profesores especializados; es indispensable un programa de contratación de profesores de ciencias especializados, en particular en Física, ya que la mayoría de profesores de ciencias carecen de una base firme en esta materia. Desde el IOP queremos que vaya más lejos, que se fije como objetivo que cada escuela de secundaria del Reino Unido tenga al menos un profesor de ciencias que sea especilista en Física.” De hecho, en España, muchos profesores de física son en realidad químicos de carrera.

“Agradecemos el compromiso del Gobierno por mantener el gasto de inversión tanto en ciencia pura como aplicada, pero tenemos que ser más ambiciosos en la actual coyuntura. Nos encantaría ver que el Reino Unido emulara el Plan de la Ciencia de los EE.UU., de Barack Obama, que incrementará la inversión en investigación como una forma de abordar el problema  de una recesión inmediata, y al mismo tiempo creará una base firme para crecimiento sostenido una vez comience la fase de recuperación. Si el Reino Unido no hace algo por evitarlo, hay un riesgo real de que los buenos científicos emigren hacia los Estados Unidos u otros lugares, y que las empresas con una fuerte compenente en I+D puedan hacer lo mismo.”

¿Cuándo desde la Real Sociedad Española de Física se realizarán declaraciones similares?

Del multiverso a la película Matrix pasando por el principio antrópico

El documental “Lo que aún no sabemos” con el astrofísico Martin Rees como presentador y entrevistas, entre otros, al matemático John Conway y al físico teórico Leonard Susskind, es curioso. La Gran Explosión les lleva al problema del Nacimiento de la Vida. ¿Tiene la vida un propósito? No, contesta John Conway, creador del “Juego de la Vida,” donde aparecen “formas de vida” que parecen tener un propósito, pero todos “sabemos” que no lo tienen. Pero las constantes fundamentales del universo deben ser ajustadas de forma muy delicada para que la vida llega a aparecer (el documental alude a la constante cosmológica de Einstein, la “responsable” de la energía oscura). ¿Cómo entenderlo sin un Creador? El Principio Antrópico resuelve el problema. Nuestro universo es “accidental,” uno entre muchos. La hipótesis del multiverso de Martin Rees justifica el porqué.

El documental continua y degenera. Primero la conexión entre cerebro e inteligencia. Se alude que nuestro cerebro es “perfecto” no puede evolucionar hacia una inteligencia mayor. Patrañas. Meras opiniones. Luego vuelve al multiverso. Si hay infinitos “universos,” habrá algunos con seres tan inteligentes que podrían estar soñándonos. Nuestro universo podría ser el sueño de alguno de dichos seres inteligentes en otro multiverso. Más patrañas “a lo Matrix” para “cargarse el guión” de un documental que empieza bien, pero acaba fatal. La duda metódica les lleva a dudar de la propia existencia de la realidad. “Lo real no es real.” Bueno, no opino más, os lo dejo descargado de youtube en 5 partes (las 3 primeras merecen ser vistas, pero las 2 últimas os las podéis ahorrar).

 

La falla de Nueva Madrid o un toque de atención a los que modelan por modelar

dibujo20090313residualvelocitynewmadridfaultinpublications¿Madrid en la revista Science? No, Nueva Madrid. ¿Un barrio de Madrid?. No, una ciudad del Estado de Missouri, EE.UU., atravesada por una falla del mismo nombre, epicentro de gran número de terremotos en la zona central de dicho país. La falla fue famosa en 1811 y 1812 por un par de terrremotos de gran magnitud (M>7). El registro geológico de los últimos 5000 años muestra una gran actividad sísmica. ¿Habrá otro gran terremoto próximamente? Los habitantes de Nueva Madrid deben estar bastante intranquilos. Unos estudios geológicos dicen que la falla se mueve a 0.2 mm/año, otros que a 1.4 mm/año, incluso hay un estudio reciente realizado con GPS durante 3 años que afirma que el valor es menor de 2.0 mm/año. Más aún, un análisis por ordenador mostró que dichos resultados se pueden entender como fluctuaciones con media 0.0 mm/año y con origen sísmico pero no tectónico. ¿Qué significan estos valores? Un movimiento de 0.2 mm/año significa un seísmo de escala M=7 cada 10 mil años y uno de escala M=8 cada 100 mil años, pero uno de 2.0 mm/año implica un seísmo de escala M>7 en los próximos 900 años.

Al grano, ¿se mueve la falla o no se mueve?  ¿Qué es lo que pasa? ¿Por qué varía tanto el valor en los diferentes estudios? Porque el valor varía con el tiempo, como se acaba de publicar un estudio que trata de explicarlo, Eric Calais, Seth Stein, “Time-Variable Deformation in the New Madrid Seismic Zone,” Science 323: 1442, 13 March 2009 . El estudio nos recuerda la gran complejidad de la predicción de terremotos. La hipótesis habitual en la mayoría de los simuladores por ordenador, que la tectónica local se encuentra en un estado estacionario estable, es insostenible en el caso de la falla de Nueva Madrid y quizás también en muchas otras. Dicha hipótesis sobreestima el número de terremotos en unas zonas y lo subestima en otras. Los investigadores no saben por qué fluctúa el movimiento de la falla con el tiempo. Sorprendentemente, la incorporación de estas fluctuaciones como aleatorias (gaussianas de media cero) permite explicar algunos de los resultados de las últimas décadas en la falla.

La figura de abajo muestra una comparación entre las medidas diarias observadas en la sitio RLAP (al norte de la falla) y las obtenidas con un simulador con parámetros perturbados con ruido blanco y coloreado. La simulación reproduce bastante bien la mayoría de las tendencias observadas, así como la pendiente media de la serie temporal (valor observado de -0.9 mm/año versus valor simulado de -0.8 mm/año).

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Muchos años tratando de mejorar los modelos por ordenador y los efectos físicos considerados para que ahora resulte que los mejores resultados se obtienen suponiendo que los parámetros fundamentales del modelo son puro ruido. Un buen toque de atención para los que modelan por modelar.