Transición de fase cuántica de superfluido a un estado de Mott observada en un condensado de Bose-Einstein en una red óptica

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Las transiciones de fase cuánticas están relacionadas con la superconductividad de alta temperatura pero son muy difíciles de estudiar experimentalmente. Normalmente presentan múltiples fases cuánticas simultáneamente lo que complica mucho la interpretación de las medidas experimentales. Los condensados de Bose-Einstein (BEC) son ideales para estudiarlas pero se requiere una técnica que retenga el condensado durante las medidas. Las redes ópticas son ideales para ello ya que permiten retener los átomos ultrafríos mientras se realizan medidas sobre sus propiedades cuánticas, como han demostrado Nathan Gemelke et al. en Nature en un artículo en el que presentan la observación de la transición cuántica del BEC entre un estado superfluido y una fase de tipo Mott (muy importante en el estudio de superconductores). El artículo técnico es Nathan Gemelke, Xibo Zhang, Chen-Lung Hung, Cheng Chin, “In situ observation of incompressible Mott-insulating domains in ultracold atomic gases,” Nature 460: 995-998, 20 August 2009 [ArXiv preprint].

La observación de la transición de fase cuántica (las transiciones de fase que pueden ocurrir incluso a temperatura cero) entre un estado de superfluido y un estado aislante de Mott se obervó por primera vez en 2002 (publicado en Nature). Desafortunadamente su estudio en detalle es muy difícil porque en la muestra se mezclan múltiples fases cuánticas lo que complica la interpretación de las medidas. Gemelke et al. han logrado resolver ópticamente la estructura espacial del condensado de Bose-Einstein (BEC) durante la transición de fase, lo que permite estudiar en detalle todas sus propiedades, incluyendo la medida directa de la temperatura finita de sistema. Han utilizado un BEC de átomos de cesio que han comprimido verticalmente para que se acople a la red óptica. Los resultados experimentales verifican varios resultados teóricos previos sobre la estructura general de la transición mostrando detalles más allá de la teoría que requerirán avances teóricos futuros.

Observada la película de la recombinación de un solo electrón gracias a la interferometría de doble rendija

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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.

El mejor límite teórico para el fondo cósmico de ondas gravitatorias indica que ni LIGO ni Virgo pueden observarlo

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Científicos de los detectores terrestres de ondas gravitatorias LIGO y Virgo publican hoy en Nature el mejor límite teórico para la contribución energética del fondo cósmico de ondas gravitatorias, las generadas en los inicios de la Gran Explosión (Big Bang), a la energía total del universo. En concreto, ΩGW < 7×10-6 en la banda de frecuencias de los 100 Hz que puede ser explorada por LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). Un límite que es un orden de magnitud más bajo de lo que se había estimado con anterioridad. Para que LIGO pudiera detectar estas ondas gravitatorias su sensibilidad debería alcanzar h < 4×10-23 en el rango de frecuencias de 40–170 Hz, un orden de magnitud más sensible de lo que se puede alcanzar en la actualidad (3×10-22). Ni LIGO ni Virgo podrán detectar este ondas gravitatorias. Habrá que esperar a LIGO Avanzado (se espera para 2014) o al detector espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) que podrán observar contribuciones a ΩGW del orden de 10-9. Nos lo cuenta Marc Kamionkowski (Caltech, EEUU) “Gravity ripples chased,” Nature 460: 964-965, 20 August 2009, haciéndose eco del artículo técnico The LIGO Scientific Collaboration & The Virgo Collaboration, “An upper limit on the stochastic gravitational-wave background of cosmological origin,” Nature 460: 990-994, 20 August 2009.

La detección de ondas gravitatorias no sólo ratificará la teoría de Einstein de la gravedad sino que nos permitirá observar los primeros instantes de la Gran Explosión (Big Bang) ya que pueden atravesar regiones del espacio que son opacas para la radiación electromagnética. Todavía no han sido detectadas, pero cuando se logre, permitirán estudiar múltiples procesos físicos como la inflación (crecimiento exponencial del espacio tiempo cuando el universo tenía 10-38 segundos), la transición de fase electrodébil (a los 10-11 segundos), y otros fenómenos menos conocidos como las cuerdas cósmicas, otros defectos topológicos, o la posible compactificación de dimensiones predicha de la teoría de cuerdas.

Buenas noticias para los que trabajan en LISA, LIGO Avanzado y los demás detectores de la red de interferometría global para el estudio de ondas gravitatorias. Un lustro pasa muy pronto. Todo apunta a que todos asistiremos al análisis y estudio del fondo cósmico de ondas gravitatorias. Los físicos teóricos de cuerdas, entre otros, podrán comprobar de primera mano si sus ideas describen correctamente la Gran Explosión.

Lecturas veraniegas: “El efecto carambola”

Dibujo20090819_James_Burke_book_the_pinball_effect_spanish_coverJames Burke, autor de “El efecto carambola,” Editorial Planeta, 1998, cuyo título original es “The pinball effect,” es un libro de anécdotas enlazadas por el flujo de la historia. Referencias cruzadas a inventos e inventores (muchos de ellos de corte científico-técnico, pero no todos). Si te gustan las anécdotas y/o la historia, te resultará una lectura veraniega ideal ya que puedes empezarlo por cualquier página sin perder el hilo y retomarlo por donde quieras. Cada párrafo cuenta una historia que viene del párrafo anterior y se enlaza con el párrafo siguiente. El autor ha añadido la “pijotada” de que en ciertos lugares se puede saltar de un página a otra (recomendaciones del autor). Yo lo he leído de principio a fin, obviando dicho detalle.

Cierto es que también tiene sus defectos. Tras leerte veinte páginas seguidas ya se te han olvidado las primeras anécdotas que has leído, salvo que te hayan llamado mucho la atención. Más aún, a veces resulta un poco mareante, con tanto salto en el tiempo hacia adelante y hacia atrás, a veces pierdes el “reloj del tiempo” y ya no sabes ni en que año estás.

Sin embargo, como ya es habitual en muchos libros traducidos al español, el mayor defecto del libro es la traducción. Pésima. Realizada por dos profesionales de la traducción cuyo nombre prefiero omitir no se entiende cómo lo han podido hacer tan mal. No sólo no conocen el lenguaje técnico habitual en España (cambian muchos términos “a su gusto”), sino que además parece que tampoco conocen el español (algunas frases están mal construidas sintácticamente). Estoy seguro de que Burke ha cuidado mucho la sintaxis en inglés, pero los traductores no han sabido estar a la altura. Los que leemos este tipo de libros como “lectura rápida” necesitamos que el libro esté bien escrito gramatical y sintácticamente. Encontrar frases ininteligibles, así como términos que requieren su traducción al inglés y su retraducción al español para poderlos entender, nos dificulta mucho la lectura.

¿Cómo es posible una traducción tan mala? Debe ser que los traductores pertenecen a la escuela de traducción española que afirmó que HAL en “2001: una odisea en el espacio” era un ordenador de “silicona” (en lugar de silicio). Por ejemplo, afirman que el secreto de los semiconductores son los “orificios” (en lugar de los huecos). ¿Qué es una “década” del ENIAC? ¿Qué significa que un invento ha alcanzado su “esencia”? ¿De dónde sacan que la traducción de la S de LASER es “simulada” cuando a pie de página escriben “stimulated”? ¿Qué es un “abanico de turbina” en un carburador? Y así podría poner muchísimos más ejemplos… Una pena.

La tercera revolución de la teoría de cuerdas para celebrar las bodas de plata (25 años) de la primera

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Dualidades entre teoría de cuerdas y teoría M.

Los análisis bibliométricos del ISI Web of Science parecen indicar que, con 4 artículos entre los 10 más candentes en física en 2009, la teoría de cuerdas está viviendo su tercera revolución gracias a la teoría de M2-branas de Bagger-Lambert. La segunda revolución, la de la dualidad, resaltó la importancia de la teoría M, pero sólo logró que entendiéramos muy bien las D-branas. La tercera revolución parece que tiene por objeto entender bien las M-branas, de las que prácticamente no se sabía nada antes de la teoría de Bagger-Lambert. Curiosa manera tienen los físicos de cuerdas de celebrar las bodas de plata de su primera revolución. Fuente: Simon Mitton, “Is This the Third Revolution for String Theory?,” en “HAT’S HOT IN… PHYSICS, March/April 2009,” del Thomson/Reuters ISI Science Watch. Los Hot Papers son los artículos que más rápidamente están siendo citados en el ISI Web of Science. Entre los 10 hot papers de Física en 2009, los 4 sobre teoría de cuerdas están en los puestos #4, #6, #9, y #10, y todos describen propiedades de las M2-branas. Hacía 10 años (desde la segunda revolución de la teoría de cuerdas) que no ocurría algo así. ¿Estamos viviendo la tercera revolución de la teoría de cuerdas?

¿Teoría M qué es eso? Una presentación muy digerible en Carmen Núñez, “¿QUE ES LA TEORIA M?,” IFT, UAM, 2007.

¿Ávido de tecnicismos? Para conocer la tercera revolución de la teoría de cuerdas los artículos técnicos que hay que leer son J. Bagger, N. Lambert, “Gauge symmetry and supersymmetry of multiple M2-branes,” Phys. Rev. D 77: 065008, 15 March 2008 [ArXiv], J. Bagger, N. Lambert, “Comments on multiple M2-branes,” J. High Energy Phys. 2: 105, February 2008 [ArXiv], P.M. Ho, Y. Imamura, Y. Matsuo, “M2 to D2 revisited,” J. High Energy Phys. 7: 003, July 2008 [ArXiv], y J. Distler, et al., “M2-branes on M-folds,” J. High Energy Phys. 5: 38, May 2008 [ArXiv]. Un par de artículos que deberían estar en esta lista pero que sorprendentemente no lo están son A. Gustavsson, “Algebraic structures on parallel M2-branes,” Nucl. Phys. B 811: 66-76, 11 April 2009 [ArXiv] y A. Gustavsson, “Selfdual strings and loop space Nahm equations,” JHEP 0804: 083, 2008 [ArXiv]. Los que prefieran leer un artículo review para irse haciendo una idea, aunque no hay ninguno todavía con todos los avances más recientes, recomiendo D.S. Berman, “M-theory branes and their interactions,” Phys. Rept. 456: 89-126, 2008 [ArXiv].

Os recuerdo. La segunda revolución de la teoría de cuerdas nos mostró que las dualidades (ciertas simetrías entre diferentes teorías de cuerdas) indicaban que sólo había una única teoría (que incluye entre ellas a la supergravedad en 11 dimensiones). A dicha teoría global empezó a llamársele teoría M. Los objetos fundamentales en dicha teoría, aparte de las cuerdas (unidimensionales), son membranas (bidimensionales) y objetos de mayor dimensión llamados p-branas (de p dimensiones). Uno de los grandes éxitos de la teoría M fue el descubrimiento de las D-branas (D por Dirichlet) que son los objetos en los que terminan los extremos de las cuerdas abiertas. El universo que conocemos podría ser una D3-brana flotando en un universo de 11 dimensiones.

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M2-brana y su geometría transversal.

La tercera revolución de la teoría de cuerdas parece que se centra en el descubrimiento de las propiedades de las M-branas, las p-branas que no son D-branas. Como ya hemos dicho, estas últimas se entienden muy bien y son la clave de los progresos en teoría de cuerdas en la última década. Pero hay que entender las primeras si queremos seguir adelante. Como afirman Jonathan Bagger (Universidad Johns Hopkins) y Neil Lambert (King’s College, Londres) en el primer artículo de más arriba, las “M-branas son objetos misteriosos y prácticamente no se sabe nada sobre su dinámica subyacente.” La teoría de Bagger-Lambert estudia las interacciones entre múltiples M2-branas cuyos extremos están sujetos a una M5-brana (membrana en 5 dimensiones). Un artículo muy matemático que ha logrado construir un formalismo lagrangiano consistente con las simetrías de las M2-branas. Entrevista a Bagger y Lambert en Science Watch y análisis bibliométrico de la teoría de Bagger-Lambert.

Mientras el “circo de la teoría de cuerdas sigue en la ciudad,” muchos físicos están bastante escépticos respecto a la teoría de cuerdas. La historia nos enseña que las grandes revoluciones requieren un esfuerzo enorme desarrollado durante décadas. La teoría de cuerdas todavía es joven.

Hace 25 años, en agosto, se inició la primera revolución de la teoría de cuerdas, de manos de Michael Green y John Schwarz en un workshop celebrado en Aspen, Colorado, EE.UU. Un año mágico para muchos, 1984. Edward Witten encendió la mecha de la bomba y se convirtió en su artificiero mayor… mucho ha cambiado desde entonces la teoría de cuerdas. Zvi Bern, autor de lo más importante en física teórica este año, el descubrimiento de que la supergravedad N=8 en 4D es finita hasta cuarto orden, afirma que la creencia en que la teoría de cuerdas es el único camino para superar las divergencias en las teorías cuánticas de la gravedad es como afirmar que las úlceras son causadas por la comida picante. Hoy sabemos que la causa son ciertas bacterias. El propio John Schwarz lo afirmó recientemente “a veces nuestro conocimiento ha sido incompleto y hemos hecho afirmaciones que no son correctas, como que la teoría de cuerdas es la única posibilidad” (“At certain points, our understanding has been incomplete, and we may have said things that weren’t right. That being said, the fact is that we still need string theory”). Se sorprende Peter Woit de que hace 5 años todo el mundo hablara de los 20 años (bodas de porcelana) de la primera revolución de la teoría de cuerdas y ahora todo el mundo calla como una tumba en “25 Years On…,” Not Even Wrong, August 6th, 2009. 

¿Cuál es el estado actual de la teoría de cuerdas? Peter Woit nos lo resume con una anécdota que aparece en el reciente artículo “How Far Are We from the Quantum Theory of Gravity?,” de R. P. Woodard, Universidad de Florida (ArXiv, 24 Jul 2009; artículo invitado que se publicará en Reports on Progress in Physics). Cuenta que la primera frase de Charles Thorn en un seminario en 2007 fue “La teoría de cuerdas es sólo una técnica para sumar los primeros términos del desarrollo en 1/N de la cromodinámica cuántica” (N es el número de colores). Más aún, Woodard consultó a muchísimos especialistas en física de cuerdas sobre su opinión al respecto y casi la mitad estaban de acuerdo. 

String theory is just a technique for summing the leading terms in the 1/N expansion of QCD” [Charles Thorn, experto en teoría de cuerdas, 2007]

The effort to regard superstrings as a fundamental theory of everything was a blind alley” [Opinión que comparten casi la mitad de los físicos que trabajan en teoría de cuerdas, sobre todo los más jóvenes, según consula de R.P. Woodard, 2008].

String theory has occupied some of the best minds of particle theory for many decades” [R.P. Woodard, 2009]

Como dijo Jarmo Mäkelä en un artículo bastante “chorra” (“Pioneer Effect: An Interesting Numerical Coincidence,” ArXiv, 29 Oct 2007): “Es un placer y un privilegio ser físico en la actualidad. Estamos viviendo una era de nuevas e interesantes observaciones que conducirán a un cambio profundo en nuestra visión física del mundo.”

It is a pleasure and a priviledge to be a physicist nowadays. We are living an era of new and interesting observations which will be likely to boost a profound change in our physical world view.” [Jarmo Mäkelä, 2007].