Algunos artículos de Física en Nature Communications

Una barra en voladizo (fija por un extremo) es el prototipo de los sistemas micromecánicos para la medida ultrasensible de masas y de fuerzas en la nanoescala. Este sistema presenta una resonancia estocástica que hace que su movimiento oscilatorio bifurque entre dos estados estables en respuesta a un ruido blanco (biestabilidad debida a una amplificación paramétrica). Este fenómeno permite usar este sistema micromecánico para medir señales muy débiles incluso en un medio ambiente muy ruidoso.

El artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Warner J. Venstra, Hidde J. R. Westra, Herre S. J. van der Zant, «Stochastic switching of cantilever motion,» Nature Communications 4: 2624, 31 Oct 2013 (ver también Warner J. Venstra et al., «Mechanical stiffening, bistability, and bit operations in a microcantilever,» arXiv:1011.1309 [cond-mat.mes-hall]).

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.

Heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno

André K. Geim, Premio Nobel de Física por el grafeno, nos habla en Nature de las heteroestructuras de van der Waals, formadas por capas de un sólo átomo de grosor encajadas unas encima de otras como piezas de LEGO (las heteroestructuras convencionales se forman por capas cuyo grosor es de muchos átomos). Fabricar las heteroestructuras de van der Waals hace pocos años parecía imposible, pero ahora hay muchos grupos de investigación en el mundo que las estudian. Sus inusuales propiedades dan lugar a nuevos fenómenos físicos que podrían tener múltiples aplicaciones. Los que tengan acceso a Nature disfrutarán con el artículo A. K. Geim, I. V. Grigorieva, «Van der Waals heterostructures,» Nature 499: 419–425, 25 Jul 2013. Ya hablé de ellas en este blog en «Un curioso déjà vu: La mariposa de Hofstadter observada en Nature y en Science,» 26 Jun 2013.

Hacia los discos duros del futuro gracias al pigmento rojo de los Ferrari Roadster

La capacidad de almacenar datos de los discos duros ha crecido en un factor de 10.000 en los últimos 30 años gracias, entre otros avances, a la magnetorresistencia gigante (GMR), Premio Nobel Física 2007. Se publica en Science un nuevo avance, la GMR a temperatura ambiente en nanohilos moleculares de DXP (cada uno con un nanómetro de diámetro) incrustados en cristales de zeolita. El DXP es el pigmento utilizado por Ferrari para lograr el color rojo de la pintura de sus Roadster y no es una molécula magnética, pero se aprovecha el espín (momento magnético intrínseco) de sus electrones. Los electrones en la molécula no pueden moverse por ella (saltar de un átomo a otro, entre los átomos azules en la figura) cuando tienen el espín orientado en la misma dirección (lo prohíbe el principio de exclusión de Pauli) por lo que aparece una gran resistencia eléctrica. Sin embargo, al aplicar un campo magnético externo algunos espines cambian su dirección y los electrones pueden moverse por la molécula, bajando la resistencia. La conductividad cambia en un factor de 2000% (todo un récord comparado con el 600% de los materiales usados en los discos duros actuales) mostrando el fenómeno de GMR con una magnitud nunca vista antes (recuerda que la magnetorresistencia colosal es otra cosa). Más aún, este fenómeno se observa a temperatura ambiente. Por supuesto, todavía es muy pronto para ver discos duros basados en esta tecnología en el mercado. Como se almacenará la información en nanohilos es necesario usar la punta de un microscopio de fuerza atómica para leer y escribir, lo que complica mucho su incorporación a la tecnología actual de los discos duros. Pero tiempo al tiempo, la imaginación de los físicos y los ingenieros parece que no tiene límites. Este nuevo descubrimiento es como un Ferrari Roadster que nos lleva a toda velocidad hacia los discos duros del futuro. Nos lo cuenta Robert F. Service, «Hypersensitive Wires Feel the (Electromagnetic) Force,» ScienceNOW, 4 Jul 2013, siendo el artículo técnico R. N. Mahato et al., «Ultrahigh Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires,» Science Express, Jul 4, 2013 [DOI].

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.

Francis en ¡Eureka!: Noticias de ciencia gallega desde Lugo

El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces para profundizar.

Hace unas semanas ha sido noticia que un joven físico lucense es el mejor físico experimental joven de Europa, pero que no puede retornar a España. ¿Qué ha pasado? Diego Martínez Santos natural de Foz, municipio costero de Lugo, ha ganado a sus 30 años el premio de la Sociedad Europea de Física al mejor Físico Experimental Joven de toda Europa en física de partículas, por su trabajo en el experimento LHCb, uno de los 4 grandes experimentos del LHC en el CERN. Su grupo en la Universidad de Santiago de Compostela ha participado en el diseño y en la construcción de los detectores de partículas de este experimento. Diego ha sido noticia porque su premio ha coincidido con la resolución negativa de su solicitud de un Contrato dentro del programa Ramón y Cajal de reincorporación a España de doctores formados en el extranjero.

Más información en «Diego Martínez Santos: ´Tengo trabajo en Suiza para tres años y he recibido ofertas de Reino Unido´,» La Opinión, A Coruña, 19 mayo 2013; «¿Es Diego Martínez el mejor físico joven europeo?,» Ciencia, Libertad Digital 20 mayo 2013.

Francis en Trending Ciencia: Nanotermómetros

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

Un artículo publicado el pasado 13 de junio en la revista Nature, entre cuyos autores se encuentran Juan Carlos Cuevas y Linda Angela Zotti, investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Junto a otros colegas de la Universidad de Michigan (EEUU) han estudiado la disipación de calor en nanodispositivos utilizando un dispositivo de medida que podemos bautizar sin rubor como nanotermómetro. El nuevo termómetro a escala nanométrica es una sonda en forma de punta, similar a la utilizada en un microscopio por efecto túnel, capaz de medir la cantidad de calor disipado en un nanocircuito formado por átomos y moléculas individuales. Estudiar la disipación de calor en los nanocircuitos tales como nanocables semiconductores, heteroestructuras semiconductoras, nanotubos de carbono, grafeno y muchos otros es fundamental para el futuro desarrollo de la nanoelectrónica. Por ello, el nuevo nanotermómetro es un avance realmente espectacular.

El artículo técnico es Woochul Lee et al., «Heat dissipation in atomic-scale junctions,» Nature 498: 209–212, 13 Jun 2013. Más información en español en UAM, «Esclarecen cómo se disipa el calor en dispositivos nanotecnológicos,» SINC, 12 jun 2013.

Supongo que ya sabrás que el trasporte de electricidad por un cable o por un circuito eléctrico viene acompañado del calentamiento del cable o del circuito. El transporte de carga eléctrica siempre lleva asociada la disipación de calor por efecto Joule, descubierto en 1841 por el físico inglés James Prescott Joule, uno de los padres de la Termodinámica. Este efecto describe el calentamiento de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica. En nuestros hogares hay muchos dispositivos basados en el efecto Joule, como secadores de pelo, calentadores de agua, incluso las bombillas de filamento se calientan por este efecto. El origen del efecto Joule son las colisiones de los electrones contra los iones de la estructura cristalina del material que atraviesan a su paso. El calor es el movimiento de estos iones respecto a sus posiciones de equilibrio y como este movimiento es acelerado por la interacción con los electrones, el conductor se calienta.

Todos los circuitos electrónicos se calientan y por ello los ordenadores requieren aletas de disipación de calor, ventiladores y otros sistemas de refrigeración. En los dispositivos a escala nanométrica el calor se disipa mediante la excitación de fonones, el modelo cuántica de las vibraciones de la estructura cristalina del material. Los autores del nuevo artículo publicado en Nature, entre ellos el español Juan Carlos Cuevas de la Universidad Autónoma de Madrid, han desarrollado unos nanotermómetros están formados por un electrodo recubierto en su exterior por una capa de oro conectada a un termopar de oro-cromo mediante una película delgada (de unos 70 nanómetros) de nitruro de silicio. A partir de la corriente medida en el termopar se puede inferir la cantidad de calor transferido en la punta del nanotermómetro cuando ésta se acerca al nanodispositivo que se esté estudiando.

Si el microscopio de efecto túnel revolucionó nuestra visión del mundo en la nanoescala, el nuevo nanotermómetro promete revolucionar nuestra comprensión de la disipación de calor en átomos y moléculas. Más aún, también demuestra el buen estado de la nanotecnología y de las nanociencias en general en España.

Coda final. Si aún no has escuchado el audio de mi podcast sobre Física para Trending Ciencia sigue este enlace.

Nanopartículas de insulina autorreguladas por glucosa para diabéticos

Diabetes mellitus es un trastorno de la regulación de la glucosa que afecta a unas 366 millones de personas en todo el mundo. El tratamiento ideal para los pacientes sería un sistema artificial con un control en «bucle cerrado» capaz de imitar la actividad del páncreas y liberar insulina en respuesta a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. Zhen Gu (MIT, EEUU) y sus colegas han desarrollado un sistema de liberación de insulina auto-regulado por el nivel de glucosa basado en una red polimérica inyectable y biodegradable. El sistema está basado en nanopartículas cargadas que encapsulan insulina y enzimas que detectan el nivel de glucosa (en concreto, glucosa oxidasa GOx). Las nanopartículas se unen electrostáticamente entre sí formando un material poroso nanocompuesto (nanocomposite) capaz de liberar insulina en respuesta a las concentraciones de glucosa. El sistema se puede administrar por vía subcutánea y ha sido probado in vivo en ratones con diabetes mellitus tipo 1. Una sola inyección estabilizó los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante 10 días. Todavía es muy pronto para hablar de pruebas en humanos, pero esta tecnología me parece muy prometedora. El artículo técnico es Zhen Gu et al., «Injectable Nano-Network for Glucose-Mediated Insulin Delivery,» ACS Nano 7: 4194–4201, May 2, 2013.

Francis en ¡Eureka!: El grafeno magnético que puede revolucionar la espintrónica

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.

El grafeno es el material de moda que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. Sus numerosas propiedades hacen que sus aplicaciones parezcan casi infinitas. Pero empecemos por el principio, ¿qué es el grafeno? La mina de una lápiz está hecha de grafito, un material que se puede exfoliar fácilmente. El grafito está compuesto por láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados entre sí, pero estas láminas están débilmente enlazadas unas con otras, de tal forma que al arrastrar la punta del lápiz sobre una hoja de papel se desprenden bloques de láminas de grafito que quedan adheridas al papel. El grafeno es una lámina de grafito de un solo átomo de grosor. El grafeno está formado por carbono puro, como el diamante, colocado en una estructura hexagonal similar a la del un panal de abejas. Konstantin Novoselov y André Geim, ambos de la Universidad de Manchester, recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2010 por desarrollar un nuevo procedimiento para fabricar grafeno de forma industrial mediante una técnica de exfoliación del grafito. El grafeno es el material de moda en nanociencia y nanotecnología por sus sorprendentes propiedades físicas y químicas. Es el material con la mayor conductividad térmica y eléctrica conocido, es el más delgado, el más ligero, el más duro, el más flexible… Muchas de las propiedades del grafeno son dignas del libro de los récords Guinnes.

El límite de superabsorción solar de una célula fotovoltaica nanotecnológica

La célula solar ideal para aplicaciones fotovoltaicas debe maximizar la absorción solar con un volumen mínimo de materiales activos (Si, a-Si, CdTe, …). El límite teórico se denomina límite de superabsorción solar y ha sido calculado por primera vez por Yiling Yu (Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, EEUU) y dos colegas utilizando una nueva teoría para el análisis de la absorción de luz por una nanoestructura semiconductora, que denominan teoría de modos evanescentes acoplados (CLMT, por Coupled Leaky Mode Theory). Esta teoría se basa en un modelo intuitivo bastante general que conduce resultados similares a los de la teoría de Mie, pero con un coste computacional mucho más bajo (por cierto, en ambos hay que recurrir a simulaciones numéricas por ordenador para calcular el límite de superabsorción para un material concreto y una geometría dada). El límite de superabsorción solar se define como el volumen mínimo de material absorbente en cada elemento unitario de una nanoestructura periódica que garantiza una absorción completa de la luz solar en el espacio ocupado por dicho elemento unitario. Como en la práctica conseguir una absorción del 100% es imposible en todo el intervalo de longitudes de onda, se considera que al menos se alcance una absorción del 90%. El artículo técnico es Yiling Yu, Lujun Huang, Linyou Cao, «Solar Superabsorption of Semiconductor Materials,» arXiv:1304.6975, 25 Apr 2013.