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.

El «jet lag» social y el Proyecto Sueño Humano

«El sueño es esencial para la salud, el rendimiento laboral y el bienestar. Sin embargo, en muchos países, las personas duermen entre una y dos horas menos que sus antepasados ​​hace entre 50 y 100 años. En algunos países, los costos directos e indirectos de los problemas relacionados con el sueño se acercan al 1% del producto interno bruto. Pero todavía no tenemos respuestas a las preguntas más básicas sobre el sueño. ¿Cuál es el número óptimo de horas de sueño? ¿Cómo se mide la calidad del sueño? La mayoría de los estudios en laboratorio no aportan información suficiente para responder a estas preguntas.» Till Roennebert (Universidad Ludwig Maximilian de Munich, Alemania) y su grupo han recopilado información de 150.000 personas de todo el mundo para evaluar cómo afectan a la cantidad de horas de sueño la edad, la estación del año, la ubicación e, incluso, el horario de verano.

Su estudio muestra que la mayoría de la gente duerme menos de lo necesario en los días laborales y por ello requiere despertador. Además, en los días de descanso omiten el despertador y duermen más horas. Llaman a este efecto «jet lag social» y creen que podría ser el comportamiento de riesgo para la salud más frecuente en la sociedad moderna. Más aún, el «jet lag social» está relacionado con otros factores, como fumar tabaco, consumir alcohol y cafeína, y signos de depresión como pérdida de apetito y sentimientos de tristeza. Nos lo cuenta en Till Roenneberg, «Chronobiology: The human sleep project,» Nature 498: 427–428, 27 Jun 2013.

Ahora su objetivo es recopilar información global sobre las pautas de sueño de al menos un millón de personas de todo el mundo. Además, quiere utilizar la web y la telefonía móvil para recopilar información en tiempo real sobre el sueño. Su proyecto llamado «Human Sleep Project» requiere una financiación de unos 30 millones de dólares y creen que podrán recopilarlos gracias a la financiación de los gobiernos y de las compañías de biotecnología. Los resultados del proyecto prometen tener repercusiones sanitarias para el diagnóstico y el tratamiento de los trastornos del sueño. Quizás también se logre desarrollar horarios individualizados para adaptar los relojes biológicos de la población a los relojes sociales marcados por nuestra vida cotidiana. Según nos cuenta Roennebert, pequeños cambios en el comportamiento asociado al sueño mejorarán la salud, rendimiento y calidad de vida de millones de personas.

La suma de la masa de los neutrinos según los últimos datos cosmológicos

Uno de los resultados más esperados sobre el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el telescopio espacial Planck de la ESA era una cota inferior a la suma de la masa de todos los neutrinos (en realidad, de todas las partículas ligeras ultrarrelativistas). Por desgracia, los datos de Planck no son suficientes para obtenerla. Ni siquiera la combinación de Planck con otros estudios cosmológicos (BAO, WiggleZ, HST) permite obtener una cota inferior. Un nuevo artículo que combina Planck+BAO+WiggleZ nos da como cota superior Σm_ν < 0,15 eV (al 95% C.L.); combinando Planck+BAO+WiggleZ+HST se obtiene Σm_ν < 0,14 eV, pero esta cota es menos fiable por la tensión entre Planck y HST respecto a la constante de Hubble. Estas cotas se han obtenido suponiendo que sólo hay 3 «sabores» de neutrinos. Si no se fija el número de «sabores» de neutrinos, los datos combinados Planck+WiggleZ+BAO indican que hay N_eff = 3,9 ± 0,34 tipos de neutrinos (es decir, apuntan a la existencia un neutrino estéril aún no observado), pero entonces el límite superior para la suma de sus masas es de Σm_ν < 0,24 eV. El artículo técnico es Signe Riemer-Sørensen, David Parkinson, Tamara M. Davis, «Combining Planck with Large Scale Structure gives strong neutrino mass constraint,» arXiv:1306.4153, 18 Jun 2013.

Cuando ojeé arXiv no le presté atención a este artículo, pero volvió a despertar mi interés gracias a un tuit de Amarashiki (@riemannium, autor del blog «The Spectrum of Riemannium«): «Neutrino mass sum bounded from below and above!!! More details here!!! http://arxiv.org/abs/1306.4153.» Me sorprendió mucho su entusiasmo, pues el nuevo artículo no calcula ninguna cota inferior para la suma de las masas de los neutrinos, todo lo contrario, toma dicha cota de los resultados de los experimentos de oscilación de neutrinos, que apoyan un límite inferior de Σm_ν > 0,05 eV (al 95% CL), y cita como fuente un artículo de 1998 (The Super-Kamiokande Collaboration, «Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos,» Phys. Rev. Lett. 81: 1562-1567, 1998 [arXiv:hep-ex/9807003]) y el Particle Data Group. Me parece que mi amigo Amarashiki ha caído en la «trampa del abstract» (leer el resumen de un artículo sin leer su contenido y creer que lo que dice el resumen corresponde al contenido del artículo). Por cierto, esto es algo que nos pasa a todos.

Descansen en paz Sergio Focardi (1932-2013) y su E-Cat

El 22 de junio de 2013 falleció Sergio Focardi, físico italiano de la Universidad de Bolonia que ha aparecido en este blog junto a su colega Andrea Rossi por ser autores del timo de E-Cat (Energy Catalyzer). Uno de los lectores de este blog ya nos comentó la hipótesis de la conspiración (no podía ser menos, pues sus seguidores no saben hacerle mejor homenaje). Su última aparición en este blog «El “timo de la margarita” y el catalizador de energía E-Cat HT2 de Rossi,» vino a colación por un artículo que «demostraba» que E-Cat funcionaba, mostrando datos que avalaban todo lo contrario. No fui el único que se dio cuenta, pero quizás fui de los pocos que se molestó en leerse dicho artículo. Ahora dos físicos suecos hacen lo mismo que yo hice: Göran Ericsson, Stephan Pomp, «Comments on the report «Indications of anomalous heat energy production in a reactor device containing hydrogen loaded nickel powder» [arXiv:1305.3913] by G.Levi, E.Foschi, T.Hartman, B.Höistad, R.Pettersson, L.Tegnér, H.Essén,» arXiv:1306.6364, 26 Jun 2013. Recomiendo la lectura de este artículo como homenaje a Focardi (para que su memoria quede libre de la sombra de Rossi).

Transmiten 1,6 Tbit/s con OAM-MDM en una fibra óptica de vórtices

Para incrementar el ancho de banda, la cantidad de información que se puede propagar, en una fibra óptica se utilizan técnicas de multiplexado en frecuencia, tiempo, amplitud, fase, polarización y momento angular orbital (OAM-MDM). Esta última técnica, la más reciente y menos utilizada, consiste en enviar «vórtices» de luz por una fibra óptica con un diseño especial que se denomina «fibra de vórtices» («vortex fibre»). Se publica en Science el envío de 400 Gb/s en 1,1 km de fibra óptica de vórtices utilizando OAM-MDM en una sola longitud de onda y de 1,6 Tb/s combinando OAM-MDM y 10 longitudes de onda con WDM (multiplexado en longitud de onda). Se trata del récord de ancho de banda en tecnología OAM-MDM en fibra óptica y demuestra que esta tecnología pronto tendrá que formar parte de los libros de texto. El artículo técnico es Nenad Bozinovic et al., «Terabit-Scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers,» Science 340: 1545-1548, 28 Jun 2013.

Planck 2013 (XXVIII): El catálogo de Planck de fuentes puntuales de microondas

En el año 2011 se publicó un catálogo de unas 15.000 fuentes puntuales y/o compactas de microondas observadas por el telescopio espacial Planck tras 9 meses de observación. El nuevo catálogo publicado en 2013, llamado PCCS por Planck Catalogue of Compact Sources, tras 15 meses de observación, contiene unas 25.000 fuentes (24.381 en la banda de 857 GHz). Como muestra esta figura (para la banda de 857 GHz), la resolución espacial de Planck es menor que la de Herschel, pero aún así permite una identificación fiable de estas fuentes puntuales, que se pueden calificar como ruido o contaminación a la hora de estudiar la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). El catálogo PCCS cubre el rango de frecuencias de 30 a 857 GHz y presenta 25 parámetros asociados a cada fuente. El nuevo artículo técnico es Planck Collaboration, «Planck 2013 results. XXVIII. The Planck Catalogue of Compact Sources,» Astronomy & Astrophysics manuscript, Mar 22, 2013 [arXiv:1303.5088]; el anterior artículo es Planck Collaboration, «Planck early results. VII. The Early Release Compact Source Catalogue,» A&A 536: A7 (2011).

Un modelo teórico para el desarrollo urbano sostenible

Una ciudad es el resultado del compromiso entre factores sociales, económicos, de infraestructura y de restricciones espaciales. Cuanto mayor es una ciudad, mayores serán los beneficios tales como los rendimientos del trabajo, pero también lo serán los costos con respecto a las interacciones sociales, como los delitos, y a las infraestructuras, porque a medida que las ciudades se hacen más grandes, utilizan menos espacio por habitante para los servicios públicos, vías de transporte y la vida residencial. Por fortuna, todas las ciudades se parecen en muchas cosas, como si hubiera unos principios básicos que controlan su evolución y permiten predecir sus propiedades presentes y futuras. Un nuevo artículo en Science presenta varias leyes de potencia que describen algunas propiedades de las ciudades; siendo independientes del tamaño de la ciudad, permiten evaluar estrategias de planificación urbana. El artículo técnico es Luís M. A. Bettencourt (Santa Fe Institute, New Mexico, EEUU),» Science 340: 1438-1441, 21 Jun 2013. Más información en Michael Batty, «A Theory of City Size,» Science 340: 1418-1419, 21 Jun 2013.

Un curioso déjà vu: La mariposa de Hofstadter observada en Nature y en Science

En ciencia muchas veces varios grupos de investigadores realizan el mismo descubrimiento de forma simultánea. Se ha publicado en dos artículos en Nature y en uno en Science la observación de la mariposa de Hofstadter en un nuevo material compuesto de grafeno depositado sobre un sustrato de nitruro de boro hexagonal (hBN). En Nature lo han llamado superred de moiré, porque el material muestra un patrón de moiré, la alternancia de regiones más blancas, más rojas y más azules en la figura, donde los átomos de carbono del grafeno están en gris y los átomos del nitruro de boro en azul y rojo. Pero en Science han preferido el nombre de heteroestructura de van der Waals, porque al colocar una capa de grafeno sobre un sustrato de hBN aparecen fuerzas de van der Waals entre ambas capas. Dos nombres distintos para el mismo material. Como se muestra en la figura, algunos átomos de carbono del grafeno se colocan entre los átomos de hBN, mientras otros se enfrentan a ellos. El patrón de moiré de largo alcance conduce a la aparición de regiones en las que la masa efectiva de los portadores es positiva, m(r)>0, o negativa, m(r)<0; recuerda que en el grafeno los portadores se comportan como partículas de Dirac con masa nula m(r)=0. Como resultado la estructura de bandas electrónicas del material difiere de la del grafeno, apareciendo efectos tan curiosos como el efecto Hall cuántico fraccionario a ±5/3. Además, la respuesta del material a campos magnéticos conduce a una estructura fractal para las bandas electrónicas con la forma de «mariposa de Hofstadter» (fenómeno predicho en 1976). En uno de los artículos en Nature colaboraron españoles, como nos recuerdan en «Al grafeno le salen mariposas por un extraño efecto cuántico,» Agencia SINC, 15 may 2013; muchos medios se han hecho eco de esta noticia porque uno de los artículos en Nature está firmado por el Premio Nobel de Física André K. Geim, de la Universidad de Manchester. Los artículos técnicos son B. Hunt et al., «Massive Dirac Fermions and Hofstadter Butterfly in a van der Waals Heterostructure,» Science 340: 1427-1430, 21 Jun 2013; C. R. Dean et al., «Hofstadter’s butterfly and the fractal quantum Hall effect in moiré superlattices,» Nature 497: 598–602, 30 May 2013; y L. A. Ponomarenko et al., «Cloning of Dirac fermions in graphene superlattices,» Nature 497: 594–597, 30 May 2013. Más información en Michael S. Fuhrer, «Critical Mass in Graphene,» Science 340: 1413-1414, 21 Jun 2013.

Hazlo y publícalo ya, aunque se pueda hacer mejor, no importa, pero publícalo ya

En la ciencia actual el prestigio está asociado al impacto y éste al número de citas recibidas. Hacer algo importante sin molestarse en afinar los detalles es mucho mejor, pues los revisores no pondrán inconvenientes y el trabajo recibirá gran número de citas de quienes refinen los detalles. Yitang (Tom) Zhang (de la Universidad de New Hampshire) ha demostrado que existen infinitos pares de primos separados menos de una distancia de 70.000.000; es obvio que no es lo mismo que demostrar la conjetura de los primos gemelos, pero no importa. Lo importante es saber si la constante 70.000.000 puede ser reducida usando las técnicas de Zhang y por supuesto que puede serlo, y mucho. ¿Tiene que molestarse Zhang en hacerlo? No, todo lo contrario, para ser una persona de éxito tiene que dejar que los demás lo hagan por él, pues ello incrementará su «índice de impacto» (quiero decir, su número de citas) y cuanto antes publique él su resultado mucho mejor. La demora cercena el éxito de los demasiado egoístas que ignoran como funciona la ciencia actual.

La página web «Bounded gaps between primes,» PolyMath, [última edición hoy] 24 jun 2013, nos indica que los 70.000.000 del 14 de mayo obtenidos por Zhang bajaron a 4.801.744 el 4 de junio, a 248.898 el 14 de junio, y, poco a poco, hasta hoy, 24 de junio, hasta sólo 10.206, un número que seguirá bajando durante meses y años. Por supuesto, todo el mundo sabe que el número nunca bajará hasta 2 utilizando las técnicas de Zhang, son demasiado «torpes,» pero la cuestión no es hasta dónde bajará este número, que bajar más, bajará más, si no el gran número de citas que está recibiendo el trabajo de Zhang por ser un trabajo inacabado del tipo «hazlo y pubícalo ya, y no te molestes en mejorarlo que otros lo harán más rápido y mejor que tú.» En ciencia, siempre se citará al padre de la idea.

Cuento esto porque muchos de los lectores de este blog creen que han descubierto algo «grande» y creen que si lo publican algún «listo» se lo robará. Así no funciona la ciencia y lo que se publica por la vía estándar queda para siempre. Los que ocultan sus supuestos descubrimientos no hacen ciencia, hacen paraciencia. Y la paraciencia siempre queda en el olvido.

Francis en Trending Ciencia: El primer transistor óptico que conmuta con un solo fotón

El audio de mi nuevo podcast sobre Física en Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción con algunas figuras.

Un transistor óptico controlado por un sólo fotón. El artículo aún sin publicar en la revista Science tiene como autora principal a la Dra. Wenlan Chen del MIT (Instituto Técnico de Massachusetts, Boston, EEUU). Este transistor está formado por un condensado de Bose-Einstein (BEC) de átomos de cesio ultrafrío. Por defecto, la luz de un láser que incide sobre el BEC lo atraviesa (estado «on»). El envío de un fotón adecuado excita el BEC de tal forma que cambia a un estado «off» y la luz láser es bloqueada. Un transistor ideal para ordenadores completamente ópticos. Nos lo ha contado Devin Powell, «Light flips transistor switch. Photons emerge as competitors to electrons in computer circuits,» Nature 498: 149, 13 Jun 2013.