En la carrera hacia los chips de ordenador más pequeños y veloces, los científicos están apostando cada vez más fuerte por la mecánica cuántica, la exótica física de lo diminuto. El problema es que las técnicas de fabricación requeridas para construir los dispositivos cuánticos son igualmente exóticas, lo que dificulta enormemente su creación. Hasta ahora.

Unos investigadores en la Universidad Estatal de Ohio han descubierto un modo de construir dispositivos cuánticos utilizando tecnología común de la industria actual de fabricación de chips.

Este nuevo desarrollo podría algún día hacer posible la creación de chips de ordenador muchísimo más rápidos que los convencionales y con un consumo energético ínfimo. También podría conducir a cámaras de alta resolución para tareas de seguridad, y a cámaras capaces de brindar una visión nítida en condiciones meteorológicas malas.

El físico Paul Berger, profesor de ingeniería electrónica y de computación en la Universidad Estatal de Ohio, y sus colegas, son los autores de la investigación.

El dispositivo que el equipo ha fabricado es un diodo túnel. La construcción se ha realizado usando la técnica más corriente de fabricación de chips, la deposición química de vapor.

Los investigadores querían fabricar este diodo empleando tan sólo las herramientas presentes en una fábrica típica de chips. El resultado es una técnica que los fabricantes podrían usar para construir dispositivos cuánticos directamente en un chip de silicio, con la misma maquinaría empleada para producir chips convencionales.

La computación cuántica ha despertado grandes esperanzas por su potencial para solucionar ciertas clases de problemas imposibles de resolver con ordenadores convencionales.

En la computación cuántica no se pretende mejorar el potencial del silicio haciendo los componentes más pequeños, sino aprovecharse de los exóticos principios de la mecánica cuántica, la teoría generalmente utilizada para comprender cómo se comportan los objetos en la escala de los átomos y de las partículas subatómicas.

Los objetos gobernados por la teoría cuántica pueden estar en varios estados diferentes simultáneamente, como si un interruptor de la luz estuviera abierto y cerrado al mismo tiempo. Esta “superposición” de estados no se corresponde con nada familiar de nuestro mundo cotidiano, pero innumerables experimentos han demostrado que esas superposiciones pueden existir siempre que los objetos cuánticos no se perturben, por ejemplo, al hacer una medida sobre ellos.

En una computadora cuántica los equivalentes de los bits que contienen la información binaria como el 0 y el 1 en los ordenadores de hoy, serán bits cuánticos o qubits, en los cuales también pueden existir superposiciones de 0 y 1. Esto incrementa masivamente la cantidad de información que puede ponerse codificada en la memoria de una computadora cuántica. El problema es que esas superposiciones son sumamente delicadas y difíciles de mantener, sobre todo en memorias que contengan grandes cantidades de qubits interactuando entre ellos.

Cada vez hay más grupos de investigación trabajando en el desarrollo de la mecánica cuántica. Y los enfoques innovadores, enlazando áreas científicas aparentemente desconectadas, también tienen una creciente presencia en este campo. Un ejemplo es el seguido por el equipo de Hans Mooij (Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos) y Raymond Simmons (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado, EE.UU.), cuyo enfoque se basa en asumir que los superconductores, materiales que conducen la electricidad sin ninguna resistencia eléctrica, pueden aprovechar las capacidades ofrecidas por la física cuántica para incrementar de manera espectacular la potencia de los ordenadores.

El motor WARP es es un hipotético motor de propulsión que podría, teóricamente, solventar las limitaciones tradicionales de la relatividad especial la cual restringe la velocidad de la nave a una por debajo de la luz.

Una nueva investigación internacional ha detectado dos obstáculos que parecen invalidar la propuesta teórica del motor de curvatura para viajar más rápido que la luz, a más de trescientos mil kilómetros por segundo. Esta hipótesis se basa en el movimiento del propio espacio tiempo que, en principio, puede contraerse y expandirse sin límite de velocidad. Sin embargo, hay un punto que no se había contemplado hasta el momento y que puede afectar al pretendido motor para trascender la velocidad de la luz: cómo actúan las fluctuaciones cuánticas ante las curvaturas.
Una investigación internacional en la que ha participado el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de España señala dos obstáculos que parecen invalidar la propuesta teórica del motor de curvatura para viajar más rápido que la luz, a más de trescientos mil kilómetros por segundo. Esta hipótesis se basa en el movimiento del propio espacio tiempo que, en principio, puede contraerse y expandirse sin límite de velocidad. Las conclusiones del trabajo aparecen publicadas en la revista Physical Review D., y pueden consultarse asimismo en arxiv.
Tal como explica al respecto el CSIC en un comunicado, paradójicamente, la teoría del motor de curvatura tiene su origen en la ficción: se trata del mecanismo que permite a los personajes de la serie de ciencia ficción Star Trek surcar el espacio más rápido que la luz, o a velocidades superluminares, mediante la distorsión del espacio tiempo.

Su salto al terreno científico tuvo lugar en 1994, año en el que el físico mexicano Miguel Alcubierre publicó un artículo en la revista Classical and Quantum Gravity titulado “El motor de curvatura: viaje hiperveloz en el marco de la Relatividad General”. Este trabajo aprovecha la flexibilidad de la geometría del espacio tiempo, que se curva en presencia de materia del mismo modo en que, por ejemplo, una pelota situada sobre una sábana tensada curva el tejido a su alrededor. En el Universo, los objetos de mayor masa producen curvaturas más acentuadas. Sobre esta base, Alcubierre diseñó un medio de transporte en forma de burbuja con paredes compuestas de materia exótica (un tipo de materia aún hipotético que tiene propiedades gravitatorias repulsivas) que producen una contracción del espacio tiempo en la proa y una dilatación en la popa similares a una ola en el mar.

El investigador del CSIC Carlos Barceló, del Instituto de Astrofísica de Andalucía, en Granada, explica: “Una nave dentro de la burbuja alcanzaría su destino sin moverse por la distorsión local del espacio tiempo, igual que un surfista situado sobre la cresta no ejerce un movimiento propio pero alcanza la orilla gracias al de la ola”. Según los autores, esta hipótesis matemática mostraba debilidades desde su publicación, aunque no se descartaba. Sin embargo, explican, hay un punto que no se había contemplado hasta el momento y que puede afectar al movimiento de esa burbuja: cómo actúan las fluctuaciones cuánticas ante las curvaturas.

De acuerdo con las estimaciones del trabajo, si la burbuja se desplaza a velocidad superior a la de luz, los tripulantes verán como las paredes anterior y posterior se comportan respectivamente como un horizonte negro y otro blanco, similares a los que tienen los agujeros negros. Así, si el astronauta de la nave mira hacia atrás no verá absolutamente nada, un horizonte negro, ya que se está desplazando a mayor velocidad que la luz y ninguna señal puede alcanzarle; en cambio, la proa de la nave recibirá todas las señales, y por ello se habla de horizonte blanco.

Dos horizontes problemáticos

Los autores calcularon cómo se comportan las fluctuaciones cuánticas en ambos horizontes cuando la burbuja se acerca a la barrera de la luz, y han hallado dos efectos que impiden el viaje. En ambos casos, el escollo se encuentra en el vacío del Universo. Según la teoría cuántica, en este estado la energía no es equivalente a cero, sino que de forma constante nacen y se aniquilan parejas de partículas tan rápido que resulta imposible detectar su presencia, y por ello se conocen como partículas virtuales. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, como una fuerte distorsión del espacio tiempo, esas partículas pasan a ser reales. Esto es lo que ocurre en ambos horizontes de la burbuja ideada por Alcubierre, con consecuencias negativas.

En el horizonte negro, el astronauta se toparía con la radiación de Hawking, enunciada por Stephen Hawking en 1974. Se trata de un efecto conocido en los agujeros negros debido a la creación y destrucción de parejas de partículas: el enorme campo gravitatorio del agujero negro puede romper el par y absorber una de las partículas, mientras que la otra escapa. Así se produce un resplandor que procede del horizonte y que, en el caso de la burbuja, depende del grosor de la pared: una pared fina, más fácil de obtener en teoría, presentaría temperaturas muy altas que podrían destruir la nave que viajara en su interior.

Pero, aunque pudieran construirse paredes tan gruesas que la temperatura producida por la radiación de Hawking no fuera un obstáculo, el horizonte blanco supone un impedimento insalvable, según la investigación. La contracción del espacio tiempo en la parte delantera produciría igualmente la ruptura de pares de partículas, con la diferencia de que irían amontonándose en la pared. “Este fenómeno provocaría un crecimiento exponencial de energía incontrolable, y hace inconsistente la construcción porque tiende a autodestruirse”, apunta Barceló. “O inventamos una manera de contrapesar esa energía con una energía inversa, lo cual parece inverosímil, o simplemente hay que admitir que no podemos superar la velocidad de la luz por razonables periodos de tiempo”, añade el investigador del CSIC.

Otra opción consiste en no atravesar la barrera de la luz, de modo que no se produjeran horizontes, ni radiación de Hawking, ni altas temperaturas.

Como los autores señalan al final del artículo, “quizá viajar al 99% de la velocidad de la luz no esté tan mal, después de todo”.

La fórmula más famosa de Albert Einstein es E = m·c². La energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz. En resumen, significa que la materia no es más que una forma de energía, descubrimiento que tuvo (y tiene) unas consecuencias impactantes en el mundo de la Física.

La fórmula además indica que desintegrando cantidades muy pequeñas de materia podemos conseguir grandes cantidades de energía. Esto abrió el camino a la era nuclear. En las reacciones nucleares, parte de la materia se convierte en energía, por ejemplo, en forma de fotones de rayos gamma (los fotones, por definición, no tienen masa).

La Humanidad ha conseguido dominar las reacciones nucleares de fisión y fusión con fines destructivos (bomba atómica y bomba H, respectivamente), pero para aplicaciones pacíficas (energía nuclear) sólo la de fisión es viable en la actualidad.

Hagámonos la pregunta, ¿es posible recorrer el camino inverso y convertir energía en materia?

La respuesta, evidentemente, es que sí. ¿Por qué no? Sólo hay un ‘pequeño’ detalle. Una ínfima cantidad de masa produce una cantidad ingente de energía. Un gramo de materia desintegrada produciría (basta aplicar la fórmula) aproximadamente 90 Terajulios. Esto son unos 25 millones de kilowatios-hora. Con esta energía, podríamos hacer lucir una bombilla de 100 watios durante 285 siglos.

Pero al convertir energía en materia todo funciona al revés. Necesitamos una cantidad de energía espectacular para producir una cantidad de materia pequeñísima. Por ejemplo, un fotón gamma muy energético puede dar lugar a un electrón y un positrón (siendo la masa de ambos ridícula).

Podemos, por tanto, producir partículas subatómicas a partir de energía, pero sólo tiene interés a nivel científico, experimental. De hecho, sólo podemos obtener partículas sueltas. Sería imposible obtener un ‘pedazo’ de materia de un gramo, ya que deberíamos concentrar toda esa descomunal energía (90 Terajulios) en un sólo punto.

Se supone que toda la materia del Universo se originó a partir de energía, pero evidentemente en unas condiciones imposibles de reproducir sobre la faz de la Tierra. En general, aunque la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma (considerando la materia como una forma de energía) no todas las transformaciones son igual de viables.

Por ejemplo, podemos convertir totalmente la energía mecánica en calor (al frenar un coche, por ejemplo), pero no podemos transformar totalmente el calor en energía mecánica (esto violaría las leyes de la Termodinámica). En el caso que nos ocupa, aunque los humanos hayamos controlado el proceso de transformación de la materia en energía (¡todo un logro!), el paso inverso es físicamente imposible para nosotros.

Vía: GenCiencia

l nitruro de galio (GaN) es un compuesto emisor de luz que ya se usa en los flashes de las cámaras, los faros de las bicicletas, los teléfonos móviles y en la iluminación del interior de autobuses, trenes y aviones, pero un equipo de investigadores británicos prevé que sus posibilidades van mucho más allá.

Los científicos consideran que cuando se pueda usar el GaN para iluminar las casas y las oficinas será como haber encontrado el Santo Grial. Si se consigue, se podría reducir en un 75% el consumo habitual de luz eléctrica en los países desarrollados y, a la vez, se contribuiría a disminuir enormemente las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas y a preservar las reservas de combustibles fósiles.

“Los diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) de nitruro de galio (GaN) tienen un futuro muy prometedor”, asegura Humphreys, que coordina las investigaciones como catedrático del Centro para el Nitruro de Galio en la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Estos LED son “asombrosamente duraderos, ya que pueden proporcionar 100.000 horas de luz (100 veces más que una bombilla convencional), y en la práctica eso significa que con el uso normal de una familia habría que cambiarlos a los 60 años”.

“Además, a diferencia de las luces fluorescentes compactas de bajo consumo que se usan ahora, los LED de nitruro de galio no contienen mercurio, por lo que desecharlos no es un problema medioambiental tan complicado”, añade el catedrático.

Pero para aprovechar estas ventajas los científicos deben superar algunos obstáculos importantes, como que los LED de GaN son demasiado caros para fabricarlos para un uso a gran escala en hogares y centros de trabajo. Además, otro de los factores limitantes es la luz fuerte que emiten. Los investigadores han desvelado recientemente porque se produce ese fenómeno gracias a una nueva y completa teoría, desarrollada en colaboración con Phil Dawson, catedrático de la Universidad de Manchester (Reino Unido).

“Comprender esto es vital para mejorar la calidad y la eficiencia de las luces de GaN”, afirma Humphreys, que añade: “Nuestro centro también está trabajando en una técnica innovadora para depositar el GaN sobre discos de silicio de 15 centímetros, en lugar de los discos de zafiro que se usaban hasta ahora. Esto podría reducir los costes de fabricación a la décima parte, y así contribuiría a que las luces de nitruro de galio se introdujesen en nuevos mercados”. Otro de los proyectos del centro se centra en lograr que la iluminación con GaN imite a la luz del sol, lo que podría tener importantes beneficios para quienes padecen trastornos afectivos estacionales.

Humphreys predice que las luces de GaN “deberían empezar a dejar notar su presencia en las casas y oficinas en un plazo de unos cinco años”, lo que no sólo será bueno para el medio ambiente, sino que también beneficiará a los consumidores en cuanto a comodidad, ahorro de electricidad y calidad de vida”.

Las posibilidades futuras de las luces de nitruro de galio son muy diversas. Actualmente los LED de este compuesto se recubren con fósforo para transformar la luz azul en luz blanca. Pero existe la posibilidad de retirar la cubierta e incluir varios LED en miniatura, cada uno de los cuales emitiría luz en un color diferente dentro de la “bombilla” general.

Los LED en miniatura emitirían juntos la luz blanca, pero la gente en casa o en la oficina podría modificar el equilibrio exacto (para conseguir, por ejemplo, una luz azulada) según su estado de ánimo. “Ésta y otras aplicaciones, como en medicina para detectar tumores o para el tratamiento de aguas en países en vías de desarrollo, podrían estar disponible en 10 años”, vaticina Humphreys.

Vía laflecha

Científicos de la Universidad de Rochester han conseguido emular la capacidad de los árboles para elevar el agua desde las raíces hasta las hojas. Este fenómeno se produce en la naturaleza cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del líquido, lo que permite que se produzca la succión del agua incluso en contra de la gravedad. Ahora, los investigadores han logrado, utilizando un láser extremadamente rápido y preciso, grabar una serie de canales en los metales que permite que éstos puedan mover los líquidos “hacia arriba”. Esta técnica permitirá bombear cantidades microscópicas de líquido en un chip de diagnóstico médico, enfriar un procesador informático o convertir cualquier metal simple en una superficie anti-bacteriana. Por Yaiza Martínez.
En la naturaleza, los árboles succionan grandes cantidades de agua a través de sus raíces para llevarla después hasta sus hojas, situadas a varios metros de altura del suelo, gracias a la capilaridad.

Esta cualidad se produce cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del líquido, lo que permite que se produzca la succión del agua hacia arriba, incluso en contra de la gravedad.

Ahora, científicos de la Universidad de Rochester, en Estados Unidos, han creado una losa de metal que puede hacer circular el agua en dirección ascendente usando este mismo principio de la naturaleza, aunque a una velocidad que la propia naturaleza envidiaría. Los resultados de la investigación se han publicado en Applied Physics Letters.

Técnica láser extremadamente precisa

Según informa la Universidad de Rochester en un comunicado, la técnica podría resultar muy valiosa para lograr bombear cantidades microscópicas de líquido en un chip de diagnóstico médico, para enfriar un procesador informático o para convertir cualquier metal simple en una superficie anti-bacteriana, por ejemplo.

Chunlei Guo, profesor de óptica de dicha universidad y autor de la investigación señala en dicho comunicado: “Nosotros podemos cambiar la estructura superficial de casi cada pieza de metal para controlar la forma en que el líquido interacciona con cada una de ellas. Podemos incluso controlar la dirección en la que los líquidos fluyen”.

Para lograr esta proeza, Guo y su colaborador, Anatoliy Vorobyev, utilizaron una pulsación ultra-rápida de luz láser que hicieron incidir sobre la superficie de un metal. Por toda la superficie de este metal formaron así, a nano y microescala, agujeros, glóbulos y hebras.

El láser utilizado fue un láser de femtosegundo, que produce pulsaciones de una duración de sólo unos pocos cuatrillones de segundo (un femtosegundo es a un segundo lo que un segundo sería a 32 millones de años).

Durante sus brevísimas explosiones, el láser de femtosegudo utilizado despliega tanta potencia como la que despliega la red eléctrica norteamericana al completo, toda ella focalizada en un punto del tamaño de un punto de aguja, explica el científico. A pesar de su increíble intensidad, el láser se activa mediante un enchufe de pared corriente.

Nanoestructuras en el metal

Por la lámina metálica modificada mediante láser, los investigadores han conseguido que el líquido se mueva a una velocidad de un centímetro por segundo en contra de la gravedad.

Este proceso, señala Guo, es muy similar al de la leche “subiendo” por la servilleta de papel cuando empapamos ésta para limpiar una superficie o al de las gotas de vino que parecen escalar por las paredes de las copas: las atracciones moleculares y la evaporación se combinan en ambos casos para mover los líquidos en sentido contrario al de la gravedad.

La novedad del trabajo de Guo y Vorobyev radicaría, por tanto, en que las nanoestructuras del metal generadas con el láser pueden modificar la forma en que las moléculas del líquido interactúan con las moléculas del metal, permitiendo que éstas se atraigan entre sí con mayor o menor intensidad en función de donde sean colocadas.

Las nanoestructuras metálicas se adhieren más rápidamente a las moléculas líquidas de lo que las moléculas líquidas se adhieren unas a otras, lo que origina que el líquido se expanda rápidamente por el metal. Los canales grabados con láser en el metal permiten en definitiva controlar el comportamiento del líquido.
Aplicaciones

Guo explica: “imagínense un sistema de canales similar a los circuitos electrónicos impresos en los microprocesadores. Con este sistema podremos ejecutar trabajos químicos o biológicos con una minúscula cantidad de líquido”.

Por ejemplo, con sangre. La sangre podría circular con precisión a lo largo de estos canales hacia un sensor que realice el diagnóstico de una enfermedad. Con un sistema tan diminuto, las enfermeras no necesitarían extraer todo un tubo de sangre para hacer las pruebas. Un simple arañazo en la piel contendría mayor cantidad de células de las necesarias para el micro-análisis consecuente.

Por otro lado, el equipo de Guo también ha creado con el láser de femtosegundo un metal que reduce la atracción entre las moléculas de agua y las moléculas de metal, es decir, que favorece la hidrofobia.

Dado que los gérmenes están compuestos mayormente de agua, resultaría imposible para ellos crecer en una superficie hidrofóbica. Utilizando esta técnica, podría convertirse cualquier metal en un material anti-bacteriano.

Ahora mismo, el proceso de modificación de una lámina de metal supone una media hora de tiempo, pero Guo y Vorobyev trabajan en afinar la técnica para hacerla más rápida.

Otros trabajos con el láser de femtosegundo

Guo también ha publicado recientemente que ha conseguido crear bombillas que utilizan la mitad de energía para producir la misma cantidad de luz, utilizando el láser de femtosegundo.

Según el científico, el rayo láser fue aplicado a través del cristal de una bombilla para alterar una pequeña parte del filamento de ésta. Posteriormente, al encender dicha bombilla los investigadores se dieron cuenta de que la parte modificada brillaba más que el resto del filamento, sin que se registraran cambios en el consumo energético.

Por otro lado, en 2008 Guo y su equipo utilizaron también el láser de femtosegundo para crear nanoestructuras que reflejaban sólo ciertas longitudes de onda de la luz.

Vía Tendencias21