Microscopía por efecto túnel en tiempo real y memorias DRAM espintrónicas

La microscopia por efecto túnel (STM) de alta resolución ha logrado una nueva dimensión, el tiempo: ver cómo los estados excitados de los átomos y moléculas en una superficie evolucionan bajo un campo eléctrico o la excitación de un láser. Un alarde técnico que por ahora solo permite acceder a la escala de los nanosegundos, pero los avances no tardarán en llegar. El vídeo que acompaña esta entrada ilustra bien el resultado obtenido, que nos cuenta en detalle Markus Morgenstern, “Physics: STM Ready for the Time Domain,” Perspectives, Science 329: 1609-1610, 24 September 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Sebastian Loth, Markus Etzkorn, Christopher P. Lutz, D. M. Eigler, and Andreas J. Heinrich, “Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution,” Science 329: 1628-1630, 24 September 2010.

PS [vía Mezvan y Colin R. Johnson, “IBM caracteriza a un solo átomo de DRAM,” EE Times, 23/sep/2010]: ¿Para qué sirve un microscopio de efecto túnel (STM) tan rápido que permite observar la excitación de un átomo? La aplicación más obvia es en el desarrollo de memorias espintrónicas, que almacenan cada bit de información en un solo átomo. El STM permite tanto leer la información almacenada como escribirla aplicando pulsos que exciten, uno a uno, a los átomos (en este caso son átomos de hierro, cobre y dímeros de hierro-cobre, estos últimos permiten tiempos de relajación más largos). El problema del STM es que es una tecnología lenta. La nueva técnica desarrollada por los físicos Loth, Lutz, Eigler y Heinrich del Centro de Investigación de IBM en Almadén, San José, California, junto al físico suizo Etzkorn de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, permite utilizar esta tecnología en la escala de los (cientos de) nanosegundos y promete ser el primer paso para lograr desarrollar memorias DRAM espintrónicas.

¿Qué es una memoria DRAM o RAM dinámica? Las memorias de estado sólido de todos los ordenadores se basan en almacenar cada bit como una pequeña carga almacenada en un pequeño condensador. El condensador se descarga de forma espontánea, por lo que la memoria es volátil y periódicamente hay que refrescarla, por eso se llama RAM (memoria de acceso aleatorio) dinámica o DRAM. Hay que volver a leer toda la memoria y volver a escribirla completa cada 50 milisegundos más o menos. Un tiempo enorme comparado con la velocidad de acceso a los datos de estas memorias por la CPU (unidad central de proceso) de tu ordenador. Las memorias de estado sólido basadas en procesos magnéticos, como la memorias Flash de tu pen, evitan este problema, pero a costa de que la lectura de los datos es muchísimo más lenta.

¿Qué es una memoria DRAM espintrónica? En estas memorias la información se almacena en átomos individuales excitando estos átomos (un electrón pasa de un estado de energía fundamental a un estado de energía excitado). Su problema es el mismo que las memorias DRAM, de forma espontánea el átomo excitado decae en su estado fundamental. La diferencia con las memorias DRAM convencionales es que el tiempo de vida media del estado excitado es solo de unos cientos de nanosegundos, en el mejor caso. Por tanto, las velocidades de refresco de la memoria deben ser de solo decenas de nanosegundos o incluso menos.

El nuevo avance de los físicos de IBM es importante porque ha permitido leer y escribir en una memoria de unos pocos bits (átomos de hierro y dímeros hierro-cobre) en tiempos menores que el tiempo de relajación de los estados excitados de estos átomos. Es un avance importante pero todavía es muy pronto para que soñemos con memorias espintrónicas masivas basadas en esta tecnología. Quizás por ello Heinrich ve el futuro de esta tecnología en la computación cuántica. Los estados excitados de varios átomos de hierro muy cercanos pueden ser entrelazados y podrían ser la base para una tecnología de estado sólido para ordenadores cuánticos. Obviamente, todavía es muy pronto para pensar en estas aplicaciones, pero si Heinrich (autor principal del trabajo técnico) las tiene en la cabeza es una buena señal.

La carrera a toda prisa hacia los 384 paquetes de protones a 150 ns en el anillo del LHC del CERN antes de noviembre

 

Mañana, 24 de septiembre, se inyectarán 96 paquetes de protones en el anillo del LHC separados por 150 ns (nanosegundos) y el sábado 104. Hoy se han inyectado 56 paquetes y ayer se inyectaron 24. A finales de agosto los paquetes de protones se inyectaban en el anillo con una separación de 1000 ns. Si todo va bien, en unas 5 semanas se alcanzarán los 384 paquetes a 150 ns, justo antes de pasar en noviembre a colisiones de iones pesados hasta el parón navideño. Las próximas cinco semanas van a ser de alta tensión en el LHC del CERN, ya que pasar de 1000 ns a 150 ns no es trivial. Ha requerido tres semanas de preparativos (las primeras de septiembre) sin colisiones estables. Steve Myers, director del comisionado de los haces del LHC, lo tiene claro: si no se logran alcanzar los 384 paquetes a 150 ns la última semana de octubre, el objetivo de obtener un inverso de femtobarn (1/fb) de colisiones para noviembre de 2011 no podrá lograrse. Steve es optimista y confía en que todos los técnicos e ingenieros del LHC darán el 100% para lograr la meta con completo éxito. Lo lograrán. Seguro que sí.

Los interesados en conocer de primera mano lo que se cuece día a día en el LHC pueden informarse en “LHC 2010 – latest news” que incluye las presentaciones (ppt) de las reuniones a primera hora de la mañana de la comisión de haces del LHC. Los que consideren que dicha información es demasiado técnica, que no se preocupen que en este blog les resumiremos lo más interesante. No somos el único blog que lo hace. Con más asiduidad (pero en inglés, claro) podéis recurrir a Philip Gibbs y su blog viXra log. Por ejemplo, esta semana podéis leer “LHC 2010 Crescendo finale,” viXra log, September 20, 2010; “September LHC update,” viXra log, September 22, 2010; “LHC stable beams are back,” September 22, 2010; y “LHC luminosity reaches 20/microbarn/second,” September 23, 2010.

Para los despistados, permitidme recapitular un poco qué significa “paquetes de protones” y cómo afectan los parámetros de inyección al número de colisiones.

En el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC) del CERN colisionan haces de protones a 7 TeV c.m., es decir, dos haces de protones acelerados por imanes superconductores hasta alcanzar una energía de 3’5 TeV cada uno chocan frente a frente para alcanzar 7 TeV en el centro de masas (c.m.) del punto de colisión. ¿Qué son 3’5 TeV? Más o menos una energía equivalente a 3700 veces la masa de cada protón. A estas energías ultrarrelativistas los protones se mueven a una velocidad muy próxima a la velocidad de la luz en el vacío (en concreto a 3’5 TeV al 99,9999991% de ésta). Cómo se puede conseguir que una partícula tan pequeña como un protón colisione exactamente contra otro protón. Parece imposible y lo es. La única manera es hacer que colisionen un paquete (bunch) de muchos protones contra otro paquete de muchos protones (ahora mismo unos 115 mil millones de protones por paquete, 1’15 · 10¹¹ protones/bunch).

El objetivo del comisionado de haces en el LHC es alcanzar el máximo número posible de colisiones protón-protón en los cuatro puntos de cruce donde se encuentran los detectores de los 6 experimentos principales (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, LCHf y TOTEM). La “intensidad” de las colisiones se llama luminosidad. Para alcanzar la máxima luminosidad en el LHC hay que inyectar 2808 paquetes de protones (el número máximo de paquetes para el que está diseñado el LHC). Para alcanzar este número hay que ajustar muchísimos parámetros, por ello, durante los primeros años de colisiones se inyectan un menor número de paquetes. Hay que recordar que los paquetes a velocidades ultrarrelativistas se alargan y si hay muchos paquetes pueden llegar a tocarse e interaccionar entre sí. En agosto los paquetes de protones se inyectaban en el anillo con una separación de 1000 ns y esta semana se están separando con solo 150 ns, lo que permite alcanzar solo hasta 384 paquetes simultáneos por haz. Incrementando el número de paquetes en bloques de 48 se requieren 8 semanas para alcanzar los 384. Para lograr hacerlo desde esta semana hasta la última semana de octubre, habrá que añadir 48 paquetes cada cinco días, en los que habrá que probar que se logra alcanzar un estado estable robusto para las colisiones (se requieren unas 20 horas de colisiones estables para estar seguros de que se controla bien el proceso). Los tiempos están muy ajustados, por ello he titulado la entrada “la carrera a toda prisa.”

Hoy las colisiones en el LHC siguen el esquema de inyección llamado 150ns_56b_47_16_47_8bpi. Esta notación significa que se inyectan cada 150 ns, 7 trenes de 8 paquetes de protones, es decir, 56 paquetes por haz. Por cada vuelta de un paquete de protones a todo el anillo del LHC se producirán 47 colisiones en los puntos donde están colocados CMS, ATLAS y LHCb, y 16 donde está colocado ALICE. La luminosidad instantánea máxima será de 14/μb/s (catorce microbarns por segundo).

Un factor importante a tener en cuenta es el ángulo con el que colisionan los paquetes de protones en los cuatros puntos donde se encuentran los detectores. Las colisiones son “casi” frontales. A 150 ns se están cruzando los haces con un ángulo de 170 microradianes (en teoría podría reducirse hasta 80 microradianes sin problemas).

Para cumplir el objetivo del LHC para finales de 2011 (lograr un 1/fb de colisiones acumuladas) es necesario que el año que viene se reduzca el intervalo de inyección de paquetes de protones hasta 75 ns. Myers opina que podrán alcanzar los 50 ns, en cuyo podrían superar con creces el objetivo de 1/fb. Myers es optimista pero ahora mismo lo prioritario es cumplir con el objetivo a corto plazo: 384 paquetes a 150 ns la última semana de octubre. Si se logra se acumularán unos 50/pb (desde el 31 de marzo se han acumulado solo 3’6/pb).

Teoría de cuerdas, fluidos perfectos y el plasma de quarks y gluones

El descubrimiento más importante del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), Stony Brook, Nueva York, ha sido que un plasma de quarks y gluones (QGP) se comporta como un fluido perfecto. El QGP es el estado de la materia unos 20 microsegundos después de la gran explosión (Big Bang). Todavía no se tiene un buen modelo teórico que explique por qué un QGP en las colisiones de iones de oro en el RHIC se comporta como un fluido perfecto. La hipótesis oficial es que es resultado de efectos no perturbativos en la cromodinámica cuántica (QCD). Este tipo de efectos requieren nuevas herramientas matemáticas y la teoría de cuerdas se ha ofrecido en los últimos años como alternativa factible para tratar de entender el comportamiento no perturbativo de los QGP. Todavía es pronto para saber si la teoría de cuerdas lo logrará, pero los resultados de RHIC, quizás el nuevo resultado de CMS que presentamos en la entrada anterior y los resultados que ALICE (en el LHC) obtendrá a finales de este año requieren nuevas herramientas más allá del análisis perturbativo de la QCD. Nos lo ha contado Jorge Noronha (Univ. Columbia, New York) en su charla “AdS/CFT Approaches to Problems in Relativistic Heavy Ion Collisions” en el XL International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD 2010), 21-25 September 2010, Universidad de Amberes, Bélgica, resumen de su reciente artículo técnico Jorge Noronha, Miklos Gyulassy, Giorgio Torrieri, “Conformal Holography of Bulk Elliptic Flow and Heavy Quark Quenching in Relativistic Heavy Ion Collisions,” ArXiv, 13 Sep 2010.

¿Qué es un plasma de quarks y gluones? Los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos están formados por partículas más elementales, llamadas quarks. Éstos están unidos entre sí por la fuerte interacción que es transmitida por unas partículas llamadas gluones. Los quarks no existen en la naturaleza como partículas libres siempre están “confinados” dentro de partículas como los protones, los neutrones y los mesones (llamadas hadrones, la H en el nombre LHC). Un plasma de quarks y gluones es una fase de la materia que existe a temperaturas y/o densidades muy altas que se compone, como su nombre indica, de quarks y gluones “desconfinados” (ya que cuando los quarks tienen una energía muy alta, la fuerza que los une se debilita). Por ello, en un plasma de quark-gluones (QGP, por sus siglas en inglés) los partones (nombre colectivo para los quarks y gluones) están “casi” libres. 

¿Cómo se produce un plasma de quars y gluones? Gracias a la colisión de núcleos de átomos pesados, como oro (Au) o plomo (Pb), a altas energías (iones relativistas). Estos núcleos contienen un gran número de protones y neutrones que en la colisión generan un QGP con gran número de partones. Es posible, pero no está confirmado, que en las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN también se pueda producir un “pequeño” plasma de quarks y gluones (con más de 100 partones), lo que podría explicar los resultados observados en CMS que comentamos en la entrada anterior. Aún así, casi todo lo que sabemos sobre el QGP se han descubierto en el Colisionador Relavista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE.UU.) donde colisionan iones tan pesados como el oro [algunos vídeos youtube a modo de presentación del RHIC]. En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN durante los meses de noviembre y diciembre se colisionarán iones tan pesados como el plomo. Estas colisiones serán analizadas por un experimento específico, llamado ALICE (A Large Ion Collider Experiment), y por los dos grandes del LHC, tanto ATLAS como CMS. La energía en el centro de masas en las colisiones Au+Au en el RHIC es de unos 200 GeV (0’2 TeV) y se estima que en las colisiones se alcanzan temperaturas de 4 billones de grados. En el LHC en noviembre próximo se iniciarán colisiones con iones de plomo (Pb+Pb) con una energía c.m. de 2’76 TeV (valor que corresponde a la misma configuración magnética que logra colisiones protón-protón (p+p) a 7 TeV c.m.). A partir de 2013, cuando el LHC empiece con colisiones p+p a 14 TeV, las colisiones Pb+Pb a finales de año alcanzarán 5’52 TeV c.m.

En 2005 se observó en el RHIC que el plasma de quarks y gluones producido por colisiones Au+Au se expandía de forma asimétrica (flujo anisótropo o elíptico), cuando todo el mundo esperaba que lo hiciera de forma simétrica (flujo isótropo o esférico), es decir, el QGP se comportaba como un fluido ideal (o perfecto) en lugar de como un gas ideal. La diferencia entre un gas y un líquido está en que en el primero las partículas están muy separadas entre sí  y se comportan localmente como si estuvieran libres, mientras que en el segundo las partículas están más próximas e interaccionan fuertemente entre sí. Que el QGP sea una fluido perfecto significa que tiene muy poco viscosidad (diez veces menor que la del agua). El acoplamiento fuerte entre los partones indica que hay que tener en cuenta efectos no perturbativos en QCD para entender las propiedades del QGP. Si α es la constante de acomplamiento entre gluones y quarks según la QCD (cuyo valor depende de la energía), los efectos perturbativos son los que se pueden describir como un desarrollo de potencias (o polinómico) en función de α, es decir, como A + α B + α² C + α³ D + ···, un desarrollo válido cuando α es un número pequeño (α(E) es una función decreciente de la energía E). Los efectos no perturbativos son los que no se pueden escribir como desarrollo en serie de potencias, por ejemplo, términos de la forma exp(−1/α) que pueden aparecer a energías a las que α no es un valor pequeño. Los cálculos habituales en QCD que se realizan gracias a los llamados diagramas de Feynman son siempre cálculos perturbativos y se basan en la propiedad de libertad asintótica de la QCD (a distancias pequeñas los quarks y gluones se comportan como si estuvieran libres ya que la fuerza fuerte decrece conforme la distancia se reduce). Cuando no se puede aprovechar esta propiedad, la QCD perturbativa no es aplicable y hay que utilizar teorías efectivas (teorías ad hoc para un problema concreto) o métodos numéricos (QCD en redes o lattice QCD) o nuevas técnicas matemáticas no perturbativas.

Además del flujo anisotrópico (comportamiento como fluido ideal) del QGP en el RHIC se descubrió que la pérdida de energía partónica o jet quenching era más intensa de lo esperado. Tras las colisiones de los iones a velocidades ultrarrelativistas, los productos de la colisión se emiten en forma de dos chorros de partículas (jets) debido a la extrema opacidad del QGP a alta energía. La QCD perturbativa no tiene explicación ni para el flujo anisótropo ni para la pérdida de energía partónica, por lo que se cree que son efectos no perturbativos de la QCD. En la actualidad no sabemos calcular estos efectos, pero ciertos físicos teóricos han propuesto el uso de técnicas “holográficas” de teoría de cuerdas, en concreto de la dualidad gravedad/gauge o AdS/CFT de Maldacena.

El artículo de Noronha y sus colegas afirma que las técnicas holográficas permiten explicar tanto el flujo elíptico (fluido perfecto) como el jet quenching fuerte de los chorros de quarks pesados en los fragmentos resultado de las colisiones Au+Au a 200 GeV en el RHIC. Más aún, realizan predicciones concretas que podrán ser verificadas por el experimento ALICE en el LHC a principios de noviembre (en su charla Noronha afirma cual buen optimista que podrán ser verificadas “el primer día” de colisiones de iones). En concreto, las técnicas AdS/CFT predicen ciertas correlaciones concretas en el contenido de quarks b (bottom) y c (charm) en los chorros tras el jet quenching en las colisiones. La figura de la izquierda muestra la predicción teórica. Los experimentos del RHIC (como STAR) todavía no han sido capaces de mostrar estas correlaciones tan sutiles, pero se cree que ALICE sí será capaz de lograrlo, lo que verificará o refutará esta aplicación de las teorías de cuerdas.

En la línea de los argumentos de Noronha me permito recomendaros la lectura del digest de M. Gyulassy, “Getting to the bottom of the heavy quark jet puzzle,” Physics 2: 107, December 21, 2009, del artículo técnico de Magdalena Djordjevic, “Theoretical formalism of radiative jet energy loss in a finite size dynamical QCD medium,” Phys. Rev. C 80: 064909, December 21, 2009 [ambos artículos son de acceso gratuito]. La imagen final de esta entrada está extraída del digest de Gyulassy. Para mí, el gran problema del enfoque holográfico de la teoría de cuerdas en el contexto del QGP es que la interpretación de los resultados desde el enfoque de la QCD no es trivial. Todavía no está claro cómo interpretar la QCD (4D) como una teoría de cuerdas y por ello las teorías de cuerdas son solo teorías fenomenológicas en este contexto.

En mi modesta opinión, la teoría de cuerdas, gracias a la correspondencia AdS/CFT y el principio holográfico, están protagonizando en estos momentos la tercera revolución de la teoría de cuerdas, la revolución de las aplicaciones: cálculo masivo de diagramas de Feynman en teoría cuántica de campos, cálculos en física de la materia condensada, en física del estado sólido, transiciones de fase cuánticas en líquidos de Fermi, comportamiento de un plasma de quarks y gluones, e incluso en la turbulencia de fluidos clásicos. Como ya dijimos hace unas semanas la teoría de cuerdas está evolucionando de una “teoría de todo” a una “teoría de algo.”

 

PS: Sobre la teoría de cuerdas y los resultados de CMS del LHC os recomiendo la lectura de los comentarios de la entrada de Philip Gibbs, “Quark-Gluon plasma seen in proton collisions – maybe,” viXra log, September 21, 2010.