Un equipo internacional de investigadores ha producido, almacenado y recuperado información cuántica por primera vez, un paso crítico en la creación de redes cuánticas.
Ciudad de México, 19 de abril (SinEmbargo).– La ciencia nunca se detiene. Avanza todos los días. A veces con descubrimientos, a veces con inventos, a veces sin saberlo está dando pasos hacia una mejor comprensión del mundo –y el universo– que nos rodea, aunque no se note, gracias al trabajo incansable de cientos de miles de personas en ramas tan diferentes como la astronomía y la biología molecular.
Por ello, en GALILEO, el programa sobre ciencia de Estudio B, destacamos cinco momentos importantes que ocurrieron en los diversos campos científicos en los últimos días y semanas: desde el descubrimiento de un nuevo gran hoyo negro en nuestro vecindario cósmico, así como la invención de un metal diminuto, entre otros:
INVENTAN LÁMINAS DE ORO DEL GROSOR DE UN ÁTOMO
Por primera vez, los científicos han logrado crear láminas de oro con un espesor de sólo un átomo. El material ha sido denominado goldeno y puede convertirse en semiconductor.
Según investigadores de la Universidad de Linköping, Suecia, esto le ha dado al oro nuevas propiedades que pueden hacerlo adecuado para su uso en aplicaciones como la conversión de dióxido de carbono, la producción de hidrógeno y la producción de productos químicos de valor añadido. Sus hallazgos se publican en la revista Nature Synthesis.
Los científicos han intentado durante mucho tiempo fabricar láminas de oro de un solo átomo de espesor, pero fracasaron debido a la tendencia del metal a agruparse. Pero los investigadores de la Universidad de Linköping lo han conseguido gracias a un método centenario utilizado por los herreros japoneses.
“Si haces un material extremadamente delgado, sucede algo extraordinario, como con el grafeno. Lo mismo sucede con el oro. Como sabes, el oro suele ser un metal, pero si tiene una capa de un solo átomo de espesor, el oro puede convertirse en un semiconductor”, afirma Shun Kashiwaya, investigador de la División de Diseño de Materiales de la Universidad de Linköping.
Para crear goldeno, los investigadores utilizaron un material base tridimensional donde el oro está incrustado entre capas de titanio y carbono. Pero crear goldeno resultó ser un desafío. Según Lars Hultman, profesor de física de películas delgadas en la Universidad de Linköping, parte del progreso se debe a la casualidad.
Por casualidad, Lars Hultman encontró un método que se utiliza en el arte de la forja japonesa desde hace más de cien años. Se llama reactivo de Murakami y elimina los residuos de carbón y cambia el color del acero en la fabricación de cuchillos, por ejemplo. Pero no fue posible utilizar exactamente la misma receta que utilizaron los herreros. Kashiwaya tuvo que buscar modificaciones.
“Probé diferentes concentraciones del reactivo de Murakami y diferentes lapsos de tiempo para el grabado. Un día, una semana, un mes, varios meses. Lo que notamos fue que cuanto menor era la concentración y más largo era el proceso de grabado, mejor. Pero aun así fue así. No es suficiente”, afirma.
El siguiente paso para los investigadores de LiU es investigar si es posible hacer lo mismo con otros metales nobles e identificar aplicaciones futuras adicionales.
UN AGUJERO NEGRO “VECINO” DE LA TIERRA
Datos de la misión Gaia de la ESA, la Agencia Espacial Europea, han revelado el agujero negro estelar más masivo conocido en la Vía Láctea, por el extraño movimiento de “bamboleo” en la estrella compañera que lo orbita.
Los datos del Very Large Telescope (VLT de ESO) del Observatorio Europeo Austral (ESO) y otros observatorios terrestres se utilizaron para verificar la masa del agujero negro, que lo sitúa en unas impresionantes 33 veces la masa del nuestro Sol.
Los agujeros negros estelares se forman a partir del colapso de estrellas masivas y los que se han identificado hasta ahora en la Vía Láctea son, en promedio, unas 10 veces más masivos que el Sol. Incluso el siguiente agujero negro estelar más masivo conocido en nuestra galaxia, Cygnus X-1, solo alcanza 21 masas solares, lo que hace que esta nueva observación de un objeto con 33 masas solares sea excepcional.
Sorprendentemente, este agujero negro también está muy cerca de nosotros: a solo dos mil años luz de distancia, en la constelación de Aquila, y es el segundo agujero negro conocido más cercano a la Tierra. Apodado Gaia BH3 o BH3 para abreviar, se encontró cuando el equipo revisaba las observaciones de Gaia mientras preparaba una nueva publicación de datos.
“Nadie esperaba encontrar un agujero negro de gran masa acechando cerca y que no hubiera sido detectado hasta ahora”, declara en un comunicado Pasquale Panuzzo, miembro de la colaboración Gaia y astrónomo del Observatorio de París, parte del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS). “Este es el tipo de descubrimiento que haces una vez en tu carrera investigadora”.
Para confirmar su descubrimiento, la colaboración Gaia utilizó datos de observatorios terrestres, incluido el instrumento UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph, espectrógrafo Echelle en el ultravioleta y el visible) del VLT de ESO, ubicado en el desierto de Atacama, en Chile. Estas observaciones revelaron propiedades clave de la estrella compañera, lo que, junto con los datos de Gaia, permitió al equipo medir con precisión la masa de BH3.
IMÁGENES DE ATTOSEGUNDOS YA SON POSIBLES
Dos físicos de RIKEN, el gran instituto de investigación de Ciencias Naturales en Japón, han conseguido pulsos de luz láser extremadamente cortos con una potencia máxima de 6 teravatios, equivalente a la energía de 6 mil plantas de energía nuclear.
Este logro ayudará a seguir desarrollando los láseres de attosegundos, por los que tres investigadores –Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier–, recibieron el Premio Nobel de Física en 2023. El trabajo se publica en la revista Nature Photonics.
De la misma manera que el flash de una cámara puede “congelar” objetos que se mueven rápidamente, haciéndolos parecer como si estuvieran quietos en las fotografías, los pulsos láser extremadamente cortos pueden ayudar a iluminar procesos ultrarrápidos, proporcionando a los científicos una poderosa manera de obtener imágenes y sondearlas.
Por ejemplo, los pulsos láser del orden de attosegundos (un attosegundo es igual a 10 a la menos 18 segundos) son tan cortos que pueden revelar el movimiento de los electrones en átomos y moléculas, lo que brinda una nueva forma de descubrir cómo evolucionan las reacciones químicas y bioquímicas. Incluso la luz parece arrastrarse en escalas de tiempo tan cortas, tardando unos 3 attosegundos en atravesar un solo nanómetro.
“Al permitir capturar el movimiento de los electrones, los láseres de attosegundos han hecho una importante contribución a la ciencia básica”, afirma en un comunicado Eiji Takahashi del Centro RIKEN de Fotónica Avanzada (RAP). “Se espera que se utilicen en una amplia gama de campos, incluida la observación de células biológicas, el desarrollo de nuevos materiales y el diagnóstico de afecciones médicas”.
2023 physics laureate Pierre Agostini succeeded in producing and investigating a series of consecutive light pulses, in which each pulse lasted just 250 attoseconds. At the same time, his 2023 co-laureate Ferenc Krausz was working with another type of experiment, one that made it… pic.twitter.com/pEFAM0ErNP
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 3, 2023
Pero si bien es posible crear pulsos láser ultracortos, carecen de mucha potencia y tienen bajas energías. La creación de pulsos láser que sean ultracortos y de alta energía ampliaría enormemente sus posibles usos. “La energía de salida actual de los láseres de attosegundos es extremadamente baja”, afirma Takahashi. “Por eso es vital aumentar su producción de energía si se van a utilizar como fuentes de luz en una amplia gama de campos”.
Ahora, Takahashi y su colega de RAP, Lu Xu, no sólo han superado esta barrera, sino que la han atravesado. Han amplificado pulsos de un solo ciclo a más de 50 milijulios, más de 50 veces el mejor esfuerzo anterior. Debido a que los pulsos láser resultantes son tan cortos, esta energía se traduce en potencias increíblemente altas de varios teravatios.
“Hemos demostrado cómo superar el cuello de botella estableciendo un método eficaz para amplificar un pulso láser de ciclo único”, dice Takahashi.
Su método, llamado amplificación paramétrica óptica avanzada de doble chip (DC-OPA), es sorprendentemente simple e involucra solo dos cristales, que amplifican regiones complementarias del espectro.
EL PÚRPURA ES EL NUEVO VERDE
A diferencia de la Tierra, donde el color más asociado a la vida es el verde de la clorofila que produce la fotosíntesis, en el caso de mundos distantes el color idóneo a buscar sería el púrpura.
Muchas bacterias que, en la Tierra, reciben poca o ninguna luz u oxígeno visible y utilizan la radiación infrarroja invisible para impulsar la fotosíntesis, contienen pigmentos púrpuras, y los mundos púrpuras en los que sean dominantes producirían una “huella luminosa” distintiva detectable por los telescopios terrestres y espaciales de próxima generación, informan científicos de la Universidad de Cornell en una nueva investigación.
“Las bacterias púrpuras pueden prosperar en una amplia gama de condiciones, lo que las convierte en uno de los principales contendientes para la vida que podría dominar una variedad de mundos”, dijo en un comunicado Lígia Fonseca Coelho, asociada postdoctoral en el Instituto Carl Sagan (CSI) y primera autora de El púrpura es el nuevo verde: biopigmentos y espectros de mundos púrpuras similares a la Tierra, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Los astrónomos han confirmado más de cinco mil 500 exoplanetas hasta la fecha, incluidos más de 30 planetas potencialmente similares a la Tierra. Los observatorios planificados, como el Telescopio Extremadamente Grande (ELT) y el Habitable Worlds Observatory explorarán la composición química de estos mundos en las zonas habitables de sus estrellas, donde las condiciones son propicias para la existencia de agua líquida en la superficie, y analizarán su composición.
Utilizando la vida en la Tierra como guía, el equipo multidisciplinario de científicos de CSI, que también incluye a William Philpot, profesor emérito de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental de Cornell Engineering, y Stephen Zinder, profesor emérito de microbiología en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, están catalogando los colores y las firmas químicas que una amplia gama de organismos y minerales presentarían en la luz reflejada de un exoplaneta.
Coelho recolectó y cultivó muestras de más de 20 bacterias púrpuras azufradas y no azufradas que pueden encontrarse en una variedad de ambientes, desde aguas poco profundas, costas y pantanos hasta respiraderos hidrotermales de aguas profundas.
Lo que se conoce colectivamente como bacterias púrpuras en realidad tienen una gama de colores, que incluyen amarillo, naranja, marrón y rojo, debido a pigmentos relacionados con los que hacen que los tomates sean rojos y las zanahorias naranjas. Prosperan con luz roja o infrarroja de baja energía utilizando sistemas de fotosíntesis más simples que utilizan formas de clorofila que absorben los infrarrojos y no producen oxígeno.
Es probable que hayan prevalecido en la Tierra primitiva antes del advenimiento de la fotosíntesis de tipo vegetal, dijeron los investigadores, y podrían ser particularmente adecuados para planetas que orbitan estrellas enanas rojas más frías, el tipo más común en nuestra galaxia.
PRIMERA CONEXIÓN PARA UNA “INTERNET CUÁNTICA”
Un equipo internacional de investigadores ha producido, almacenado y recuperado información cuántica por primera vez, un paso crítico en la creación de redes cuánticas.
La capacidad de compartir información cuántica es crucial para desarrollar redes cuánticas para computación distribuida y comunicación segura. La computación cuántica será útil para resolver algunos tipos importantes de problemas, como optimizar el riesgo financiero, descifrar datos, diseñar moléculas y estudiar las propiedades de los materiales.
Sin embargo, este desarrollo se está retrasando porque la información cuántica puede perderse cuando se transmite a largas distancias. Una forma de superar esta barrera es dividir la red en segmentos más pequeños y vincularlos a todos con un estado cuántico compartido.
Para hacer esto se requiere un medio para almacenar la información cuántica y recuperarla nuevamente: es decir, un dispositivo de memoria cuántica. En primer lugar, este debe “hablar” con otro dispositivo que permita la creación de información cuántica.
Por primera vez, los investigadores han creado un sistema que interconecta estos dos componentes clave y utiliza fibras ópticas regulares para transmitir los datos cuánticos.
La hazaña fue lograda por investigadores del Imperial College de Londres, la Universidad de Southampton y las universidades de Stuttgart y Wurzburg en Alemania, y los resultados se publicaron en Science Advances.
La coautora principal, la Dra. Sarah Thomas, del Departamento de Física del Imperial College de Londres, dijo en un comunicado: “La interconexión de dos dispositivos clave es un paso crucial hacia adelante para permitir la creación de redes cuánticas, y estamos muy entusiasmados de ser el primer equipo que haya podido para demostrarlo”.
El coprimer autor Lukas Wagner, de la Universidad de Stuttgart, añadió: “Permitir que se conecten ubicaciones de larga distancia, e incluso computadoras cuánticas, es una tarea crítica para las futuras redes cuánticas”.
Hay varios dispositivos que se utilizan para crear información cuántica en forma de fotones entrelazados y almacenarla, pero generar estos fotones a pedido y tener una memoria cuántica compatible en la que almacenarlos eludió a los investigadores durante mucho tiempo.
Los fotones tienen ciertas longitudes de onda (que, en luz visible, crean diferentes colores), pero los dispositivos para crearlos y almacenarlos a menudo están sintonizados para funcionar con diferentes longitudes de onda, evitando que interactúen.
Para hacer que los dispositivos interactúen, el equipo creó un sistema en el que ambos dispositivos usaban la misma longitud de onda. Un “punto cuántico” producía fotones (no entrelazados), que luego pasaban a un sistema de memoria cuántica que almacenaba los fotones dentro de una nube de átomos de rubidio. Un láser encendía y apagaba la memoria, lo que permitía almacenar y liberar los fotones según demanda.
No solo la longitud de onda de estos dos dispositivos coincidía, sino que tenía la misma longitud de onda que las redes de telecomunicaciones utilizadas hoy en día, lo que permite transmitirla con cables de fibra óptica normales y familiares en las conexiones cotidianas a Internet.
