¿Los secretos del universo ocultos en un chip?

Un aislante topológico usado en electrónica puede ayudar a probar la Teoría Cuántica de Campos

Una oscura clase de material se podría utilizar para simular una gran cantidad de partículas exóticas que han predicho los físicos, pero nunca se han visto

Dibujo de un ordenador en una esfera en una placa de circuito dentro de un haz de luz, lo que representa cómo pueden ser controlados y almacenados los datos en un ordenador cuántico. Los aisladores topológicos podrían ser el próximo campo de pruebas para la física de partículas.

Reesultados preliminares de un trabajo, presentados el pasado 14 de marzo en la apertura de la reunión de la Sociedad Física Americana en Portland, Oregon, indican que se ha fabricado un trozo de un “aislante topológico” que es suficientemente grande como para probar algunas extrañas predicciones de la Teoría Cuántica de Campos, una versión de la mecánica cuántica que se utiliza habitualmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de una cantidad de inusuales partículas, que, si se las reproduce en este material, podrían resultar útiles para aplicaciones futuras tales como quebrar códigos en computadoras cuánticas o en la espintrónica, una electrónica que se basa en el espín de las partículas tanto como en su carga.

Ahora, Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg en Alemania, cree que ha creado un aislante topológico de telúrido de mercurio (HgTe) con un grosor suficiente como para poner la prueba la teoría.


Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones por fuera pero actúan como aislantes en su interior. El origen de esta propiedad que parece mundana está en la forma en que se mueven los electrones a través del material. Los electrones transportan un “espín” mecánico cuántico que apunta hacia “arriba” o jacia “abajo”. Normalmente, el espín es independiente del movimiento de un electrón, pero dentro de los aislantes topológicos, los espines de los electrones tienen una fuerte relación con su movimiento.

El “multiverso” en un chip

Esta relación entre espín y movimiento lleva a que los aislantes sean un buen medio para modelar algunas formulaciones de la Teoría Cuántico de Campos, dice Shoucheng Zhang, físico teórico de la Universidad de Stanford en California.

La Teoría Cuántica de Campos ha sido muy éxitosa en describir el universo, pero algunas de sus predicciones han resultado ser difíciles de demostrar. Algunas formulaciones indican la existencia de axiones, partículas que interactúan débilmente que fueron propuestas para dar cuenta de la invisible “materia oscura”, que podrían formar parte de casi un cuarto de la masa del universo. La teoría también admite la existencia de monopolos magnéticos, puntos de norte y sur independientes que nunca se han observado en la naturaleza.

“Nosotros vivimos en un tipo de universo, pero dentro de estos sólidos se pueden crear esos universos inusuales”, dice Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton en New Jersey. “Esto es bueno”.

Las partículas no serían las mismas que predice la Teoría Cuántica de Campos; por ejemplo, un estudio hecho por Zhang y sus colegas muestra que los axiones podrían ser simulados como fluctuaciones magnéticas dentro de un aislante topológico1. Pero la analogía servir de guía a los científicos para saber dónde buscar el equivalente real de esa partícula en el universo. Haciendo pasar luz polarizada por el aislante se podrían revelar signos reveladores de los axiones. Si en realidad existen los axiones, entonces la msima señal podría aparecer en la radiación de fondo de microondas cósmica, radiación primordial dejada por el Big Bang.

Algunas de las exóticas partículas que se han propuesto también podrían tener usos prácticos. Se predice que una clase, conocida como fermiones de Majorana, han de ser muy estables, lo que permite usarlas en computadores cuánticos para almacenar datos.

Cosas hediondas

El HgTe que usa Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta el momento sólo se ha visto el comportamiento de aislante topológico en los bordes de finas rodajas de material. En los resultados preliminares, presentados en una clase anterior a la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones en la superficie de esta muestra tridimensional se estaban comportando como lo harían en un aislante topológico. “Si todo esto funciona, podemos comprobar experimentalmente la Teoría Cuántica de Campos”, dijo.

Si el HgTe está a la altura de estas expectativas, Molenkamp dice que pronto puede comenzar la búsqueda de “raras cosas” que se ha predicho que residen en su interior.

Yazdani, que trabaja con una clase alternativa de material a base de bismuto, dice que si Molenkamp ha logrado los resultados que describe, sería un importante paso adelante para el campo. Pero, añade: “No he visto sus datos, por lo que no puedo decir cuán convincentes son”.

Zhang dice que los resultados son muy interesantes. Sin embargo, reconoce que, aunque los axiones y monopolos podrían existir dentro de un aislante topológico, no significa que vayan a existir en el mundo real. “Eso no significa que los vamos a ver en el universo”, dijo. “Pero al menos nos dirá que estas ecuaciones son tan locas”.



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Eurix Janeth Gómez Vera
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Diseñan un nuevo metamaterial de índice de refracción negativo que responde a la luz visible

Las matrices de guía de onda coaxial plasmónica acoplada ofrecen un nuevo enfoque por el cual se pueden realizar metamateriales de índice de refracción negativo que son extraordinariamente insensibles al ángulo de incidencia y la polarización en el rango de luz visible. Crédito: Caltech / Stanley Burgos.

Se trata de un material excepcionalmente versátil que, entre otras aplicaciones, podría ser utilizado para una recolección mucho más eficiente de la luz en células solares.

Un grupo de científicos liderados por investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) ha diseñado un tipo de material óptico artificial -un metamaterial- con una particular estructura tridimensional, de tal manera que la luz exhibe un índice negativo de refracción al entrar en el material. En otras palabras, este material "curva" la luz en la dirección "equivocada" respecto a lo que normalmente debiera suceder, con independencia del ángulo de incidencia.

Este nuevo tipo de metamateriales de índice negativo (MNE), descrito en una publicación adelantada en Internet en la revista Nature Materials, es más simple que los anteriores MNE -y sólo requiere una única capa funcional- y aún más versátil, ya que puede manejar la luz con cualquier polarización en un amplio rango de ángulos de incidencia. Y puede hacer todo esto en la parte azul del espectro visible, por lo que es "el primer metamaterial de índice negativo para operar a frecuencias visibles", dice el estudiante graduado Stanley Burgos, un investigador de las Interacciones Luz-Material en el Centro de Investigación en la Frontera de Conversión de Energía en Caltech, y autor principal del artículo.

"Mediante la planeación de un metamaterial con dichas propiedades, estamos abriendo la puerta a inusuales -pero potencialmente útiles- fenómenos como superlentes (imágenes de alta resolución más allá del límite de difracción), capa de invisibilidad, y la síntesis de materiales de índice de concordancia con la atmósfera, para la mejora potencial de la recolección de la luz en células solares", dice Harry Atwater, Profesor Howard Hughes y catedrático de física aplicada y ciencias de los materiales, director del Instituto Caltech Resnick, miembro fundador del Instituto Kavli de Nanociencia, y líder del equipo de investigación

Lo que hace a este NIM (Nearly Index Matched) único, dice Burgos, es su ingeniería.

"La fuente de la respuesta de índice negativo es fundamentalmente diferente de la de los anteriores diseños NIM", explica. Los esfuerzos anteriores utilizaron varias capas de "elementos de resonancia" para refractar la luz de esta manera inusual, mientras que esta versión se compone de una sola capa de plata impregnada con "elementos de guía de onda plasmónicos acoplados."

Los plasmones de superficie son ondas de luz acopladas a las ondas de electrones en la interfase entre un metal y un dieléctrico (material no conductor como el aire). Los elementos de guía de onda plasmónicos rutean estas ondas acopladas a través del material. No sólo es este material más factible de fabricar que los utilizados anteriormente, dice Burgos, sino que también permite una simple "sintonización" de la respuesta del índice negativo, al cambiar los materiales utilizados, o la geometría de la guía de ondas, el NIM se puede ajustar para responder a una longitud de onda diferente de luz que viene desde casi cualquier ángulo con cualquier polarización. "El cuidado de la ingeniería del acoplamiento entre los elementos de guía de onda fue tal, que hizo posible desarrollar un material con un índice de refracción casi isotrópico sintonizado para operar a frecuencias visibles."

Este tipo de flexibilidad funcional es fundamental si el material se va a utilizar en una amplia variedad de formas, dice Atwater. "Para las aplicaciones prácticas, es muy importante para la respuesta de un material ser insensible tanto al ángulo de incidencia como al de polarización", dice. "Tomemos anteojos, por ejemplo. Con el fin de que se enfoque correctamente la luz reflejada por un objeto en la parte posterior del ojo, debe ser capaz de aceptar y enfocar la luz proveniente de una amplia gama de ángulos, independientes de la polarización. Dicho de otra manera, su respuesta debe ser casi isotrópica. Nuestro metamaterial tiene las mismas capacidades en términos de su respuesta a la luz incidente. "

Esto significa que el nuevo metamaterial es especialmente adecuado para su uso en células solares, Atwater añade. "El hecho de que nuestro diseño NIM es sintonizable significa que podría ajustar su índice de respuesta para adaptarse mejor al espectro solar, lo que permite el desarrollo de los metamateriales de banda ancha de gran angular que podrían intensificar la recogida de luz en células solares", explica. "Y el hecho de que el metamaterial tiene una respuesta de gran angular es importante porque significa que puede aceptar la luz de una amplia gama de ángulos. En el caso de las células solares, esto significa recolección de más luz y menos reflejo o desperdicio de la misma".

"Este trabajo se destaca porque, a través de una cuidadosa ingeniería, fue alcanzada una mayor simplicidad", dice Ares Rosakis, presidente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en Caltech y Profesor Theodore von Kármán de Ingeniería Aeronáutica y Mecánica.

Además de Burgos y Atwater, los otros autores del trabajo en Nature Materials, "Un metamaterial de índice negativo de campo amplio y capa simple a frecuencias visibles", son René de Waele y Albert Polman de la Fundación para la Investigación Fundamental en materia de Instituto Atómica y Física Molecular en Amsterdam. Su trabajo fue apoyado por el programa del Centro de Investigación en la Frontera de la Energía, de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía; la National Science Foundation; el Nederlandse Organisatie voor Onderzoek wetenschappelijk, y "NanoNed", un programa de nanotecnología financiado por el Ministerio neerlandés de Asuntos Económicos.

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Eurix Janeth Gómez Vera
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Un nuevo dispositivo basado en un "metamaterial" permitirá a cámaras y escáneres ver a través de las cosas

Un equipo de la Universidad de Boston ha hecho enormes progresos en la detección y control de la radiación Terahertz (1012 Hertz). Los dispositivos que pueden imitar la visión de Superman de rayos X y ver a través de la ropa, paredes o carne humana son la esencia de la fantasía del cómic, pero un grupo de científicos de la Universidad de Boston (BU) ha dado un paso adelante en este sentido, haciendo de la fabricación de tales dispositivos futuristas una realidad.

Los investigadores presentarán su dispositivo en la Conferencia sobre Láseres y Electro-Optica y Conferencia de Ciencia Laser y Electrónica Cuántica (CLEO / QELS: 2010), que tendrá lugar del 16 al 21 mayo en el San Jose McEnery Convention Center en San José, California

Dirigido por Richard Averitt de la BU, el equipo ha desarrollado una nueva forma de detectar y controlar la radiación terahertz (THz) utilizando la ciencia de materiales y óptica. Este tipo de radiación se compone de ondas electromagnéticas que pueden pasar a través de los materiales de manera segura. Su trabajo puede allanar el camino para los escáneres de seguridad y en medicina, para los nuevos dispositivos de comunicación, y para los detectores químicos más sensibles.

Los científicos e ingenieros han intentado durante mucho tiempo realizar dispositivos que podrían controlar las transmisiones de THz. Tales dispositivos serían un gran avance tecnológico, debido a que permitirián que la información se transmita a través de ondas en la banda de THz. Al igual que los rayos X, estas ondas pueden atravesar materiales sólidos, lo que podría revelar detalles ocultos en su interior. A diferencia de la energía ionizante de rayos X, la radiación THz no causa daños a los materiales a su paso por ellos.

La búsqueda para crear dispositivos que emiten o manipulan la radiación THz se refiere a menudo como una carrera para llenar el vacío "THz", puesto que la frecuencia de la radiación THz en el espectro electromagnético cae entre las microondas y la radiación infrarroja, región ya ampliamente utilizada en las comunicaciones.

Esta carrera, sin embargo, ha tropezado a menudo con serios obstáculos, porque no hay tecnologías que hayan demostrado ser capaces de resolver eficazmente el problema básico de la manipulación de las propiedades de un haz de radiación THz. Ahora Averitt y sus colegas han dado un paso importante en esta dirección mediante el uso de una clase inusual de nuevos materiales conocidos como "metamateriales".

Los metamateriales son inusuales en la forma en que interactúan con la luz, confiriéndoles propiedades que no existen en los materiales naturales. Ellos han acaparado los titulares y capturado la imaginación popular en años recientes, después que varios grupos de investigadores han usado metamateriales para lograr formas limitadas de "encubrimiento", la capacidad de un material para doblar completamente la luz alrededor de sí misma presentándolo como invisible.

Averitt utiliza estos mismos tipos de metamateriales para interactuar con un haz de radiación THz y cambiar su intensidad. Su dispositivo consiste en una matriz de fracción de resonadores de anillos, un tablero de paneles de metamaterial flexible que puede doblarse y girar. Al girar los paneles, su equipo puede controlar las propiedades electromagnéticas de un rayo de energía THz pasando por ellos.

"La idea es que usted puede manipular su haz de terahertz mediante la reorientación de los elementos del metamaterial en oposición a la reorientación de su haz", dice Averitt.

Las matrices de estos paneles de metamaterial podrían funcionar como píxeles en una cámara que detecta la radiación THz, dice. La absorción de la radiación THz causaría que los paneles se inclinen más o menos dependiendo de la intensidad de los THz bombardeándolos.

"Uno de los objetivos, desde el punto de vista tecnológico, es que sea capaz de hacer imágenes a distancia, para estar en condiciones de detectar las cosas debajo de la ropa de una persona o en un paquete", dice Averitt.

Estas aplicaciones de detección, sin embargo, requieren fuentes de THz más poderosas como los láseres de cascada cuántica, que están en desarrollo, aunque se han hecho grandes avances tecnológicos en los últimos años.

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Eurix Janeth Gómez Vera
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Nanomateriales y Nanodispositivos

Nanocables orgánicos semiconductores

El pasado año, parte del grupo del Dr. Jason Locklin del Departamento de Química de la Universidad de Georgia y profesor adjunto del Franklin Collage of Arts and Science, ha publicado un artículo en la revista científica ‘Chemical Communications’ en el que explican rigurosamente su logro. Y es que los estudiantes de posgrado Nicholas M. Marshall y S. Kyle Sontag, junto con su director de equipo, han conseguido hacer crecer unos nanohilos orgánicos con propiedades semiconductoras que pueden hacer avanzar en gran medida ciertos problemas de almacenamiento de energía en dispositivos electrónicos integrados en el cuerpo humano.

Tal y como lo explica el Dr. Locklin, para entender mejor como es la estructura molecular que han creado, debemos imaginarnos un cepillo para el cabello. De modo, que el mango estaría formado por un metal donde se hacen crecer macromoléculas orgánicas, que serían las cerdas del cepillo. El metal es dióxido de silicio (comúnmente llamado sílice, cuya estructura está formada por dos átomos de oxígeno y uno de silicio, siendo su fórmula química SiO2) y las macromoléculas orgánicas son polímeros compuestos por anillos de tiofeno y benceno. El tiofeno (C4H4S) es una molécula cíclica en forma de pentágono constituido por cuatro átomos de carbono, uno de azufre y cuatro de hidrógeno. Y el benceno (C6H6) es también una molécula cíclica pero con forma hexagonal y constituida por 6 átomos de carbono y 6 de hidrógeno.

En esta figura podemos ver la estructura básica del ‘cepillo’, donde tenemos una lámina metálica de dióxido de silicio en la que hacemos crecer los polímeros orgánicos. Además hemos realizado una ampliación en 3D de lo que sería la estructura molecular principal del polímero formado por anillos de tiofenos y bencenos

Se sabe que la molécula de tiofeno se comporta como un aislante, pero si unimos varias de ellas entre sí, formando un polímero donde el monómero repetido es el tiofeno, vemos que el conjunto creado posee propiedades típicas de un conductor. Este grupo ha logrado una técnica de creación de polímeros a partir de tiofenos y bencenos cuya estructura puede ajustarse a su voluntad, logrando polímeros con propiedades semiconductoras. Esto podría permitir una nueva línea en la creación de dispositivos electrónicos como diodos, transistores, etc. en una escala entre los 5 y los 50 nm.

Por otro lado, es conocida la dificultad de aprovechar la energía propia del cuerpo humano para mantener ciertas baterías de dispositivos electrónicos implantados en el mismo (prótesis, sensores, marcapasos, etc.), pero gracias a las características orgánicas de estos polímeros que han desarrollado, sería posible construir fuentes de alimentación de energía para dichos dispositivos funcionando de manera autónoma.

Aunque los seres humanos tienen enzimas en el organismo que hacen un gran trabajo al convertir la energía química en energía eléctrica, no son lo suficientemente útiles para dicha aplicación ya que tienen capas de aislante a su alrededor para protegerse del medio, impidiendo el transporte de electrones desde el lugar activo hasta el dispositivo electrónico implantado. Por ello, esperan que los cables moleculares poliméricos que han elaborado proporcionen un mejor conducto para el flujo de cargas.
Las posibilidades son muchas pero el profesor Locklin advierte que todavía no se conocen los procesos físicos que permiten el desplazamiento de las cargas a través de estos polímeros, por lo que se debe seguir investigando.

http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/category/nanomateriales-y-nanodispositivos/


Eurix Janeth Gómez Vera
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Basados en óxidos complejos. Científicos españoles crean materiales para los dispositivos electrónicos del futuro

Científicos de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) han creado materiales artificiales con nuevas propiedades que abren una nueva vía para los dispositivos electrónicos del futuro, según informó el centro universitario.

Los resultados, que han sido publicados en la revista científica 'Advanced Materials', muestran el potencial de materiales artificiales nanoestructurados basados en óxidos complejos para el control de las propiedades de la interfase, permitiendo diseñar nuevos comportamientos y funcionalidades.

Así, los científicos del Grupo de Física de Materiales Complejos de la UCM han producido heteroestructuras que alternan capas de titanato de estroncio, y manganita de lantano, dos materiales aislantes, que sin embargo unidos dan lugar a dos efectos hasta ahora inesperados: magnetismo y elevada conductividad eléctrica en la interfase entre ambos.

Este grupo forma parte de la Unidad Asociada Materiales y Heteroestructuras para Espintrónica con el Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC, donde se ha realizado la caracterización magnética y de transporte.

La imagen directa de estas interfases ha sido obtenida por científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Estados Unidos) utilizando un microscopio electrónico de transmisión-barrido de última generación y con resolución por debajo de 0.1 nm.

A juicio de los expertos, el resultado científico es de gran relevancia ya que muestra la posibilidad de controlar la estructura electrónica de la interfase para obtener funcionalidades específicas. De esta forma, proponen la utilización de estos resultados para la implementación práctica de dispositivos de electrónica de óxidos como uniones túnel magnéticas (muy relevantes para el almacenamiento magnético de información) o dispositivos de efecto campo (transistores) controlados por campo magnético que pueden ser de utilidad como nuevos sensores.

Según explica la UCM, durante el siglo XX los dispositivos electrónicos han tenido una profunda influencia sobre la calidad de vida revolucionando las comunicaciones, la computación, la manufactura, y el transporte


http://www.europapress.es/ciencia/noticia-cientificos-espanoles-crean-materiales-dispositivos-electronicos-futuro-20100225141250.html

Eurix Janeth Gómez Vera
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Avances para sustituir el silicio por grafeno

Lámina de grafeno

Científicos de la universidad estadounidense South Florida (USF) han creado una técnica para convertir los ‘defectos o irregularidades’ del material en cables metálicos que permitirá avanzar en las investigaciones para que el grafeno pueda algún día sustituir al silicio como materia prima para el desarrollo de la industria de los semiconductores.
El grafeno es una capa simple de átomos de carbono de menos de un nanómetro de espesor y es el material conductor más delgado conocido por lo que los científicos apuestan por él para un buen número de aplicaciones y en especial la electrónica como sustituto del silicio.

Así, y aunque los científicos advierten que no es sencillo trabajar con este material, múltiples investigaciones están en marcha para que sea de utilidad en la industria de la electrónica como la desarrollada en la University of South Florida.

Allí, un equipo de investigadores ha creado una técnica para convertir los defectos o impurezas del grafeno en cables metálicos. Un desarrollo que había fracasado hasta la fecha ya que sólo los bordes de delgadas láminas de grafeno o nanocintas de grafeno poseían una estructura de defecto útil.

Un desarrollo que se une a la reciente confirmación de las propiedades electrónicas del grafeno en un comportamiento similar la superconductividad observada en materiales complejos y que avanza en la apuesta por el grafeno para sustituir al silicio, cuya tecnología llegaría a los límites de su rendimiento en poco más de una década.

Grafeno por silicio

http://www.theinquirer.es/2010/04/04/avances-para-sustituir-el-silicio-por-grafeno.html

Eurix Janeth Gómez Vera
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Memoria PCM para teléfonos inteligente

La memoria lee y escribe la data más rapido que las tecnologías existentes

Los teléfonos inteligentes utilizarán un nuevo material de memoria
La vida de las baterías de los teléfonos inteligentes podría aumentar hasta un 20% al cambiar el tipo de memoria que utilizan. Según Samsung, los módulos fabricados con el nuevo material de memoria podrían llegar a sus líneas de producción a finales de 2010.

La compañía planea producir chips de memoria de cambio de fase (PCM) con el mismo formato que los diseños existentes, de forma que se puedan incorporar fácilmente a las líneas d eproducción.

La forma más adoptada de PCM suele estar hecha de una aleación de germanio, antimonio y titanio, dando lugar a un material parecido al vidrio. Al calentarlo mediante la aplicación de un voltaje, el material se convierte en dos formas independientes que presentan resistencias muy diferentes a la electricidad.

Como resultado, el material se puede utilizar para representar los ceros y unos binarios que utilizan los ordenadores.

En el foro de tecnología móvil celebrado en Taipei, Samsung anunció sus planes para empezar a producir módulos de PCM de 512megabits (Mbit) de tamaño.

Estos se fabricarán de forma que sean compatibles con los módulos tradicionales de memoria flash que cuentan con piezas individuales de apenas 40 nanómetros de ancho. Además, señaló la compañía, las memorias PCM tienen una estructura más simple que los formatos anteriores, por lo que debería ser fácil fabricarlas y empezar a usarlas en los teléfonos.

Las pruebas de laboratorio de Samsung sugieren que las memorias de cambio de fase de 512Mbit pueden leer y escribir datos hasta 10 veces más rápido que algunos tipos de memoria flash existentes. En general, según Samsung, la memoria de cambio de fase es unas tres veces más rápida que las memorias flash existentes.

El gigante de la electrónica afirmó que espera que finalmente la memoria PCM reemplace a la memoria flash en muchos dispositivos.



http://avances-tecnologicos.euroresidentes.com/

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