La dama del llum

Florence Nightingale és considerada la fundadora de la infermeria i, encara que és menys coneguda per la seva tasca pionera en el camp de l'estadística, aquesta faceta seva no és menys important.

Florence Nightingale va néixer el 12 de maig del 1820, en el si d'una família britànica acomodada a Florència, Itàlia, ciutat de la qual va prendre el seu nom. Poc després del seu naixement, el 1821, la família es va traslladar de tornada a Anglaterra, on Florence va rebre una acurada educació, propiciada tant pel seu pare William Edward Nightingale, com per la seva mare, Frances ( "Fanny") Nightingale, educació basada en els valors humanitaris.

Florence, juntament amb la seva germana Parthenope, va rebre la primera educació a casa, amb la institutriu, i després, directament del seu pare. Aquest va fer que es familiaritzés amb els clàssics, com Euclides i Aristòtil. A Florence li van interessar molt les matemàtiques, i va voler prosseguir el seu estudi, però la seva mare s'hi va oposar. Finalment, va aconseguir el seu propòsit i va tenir a James Joseph Sylvester com a professor, del qual va aprendre aritmètica, geometria i àlgebra. Una altra influència matemàtica li va venir del belga Adolphe Quetelet, qui va aplicar l'Estadística a les ciències socials.

Una de les majors influències rebuda per Florence va ser la de Mary Clarke, amb la qual va tenir una trobada a París amb ocasió d'una viatge familiar per Europa. Clarke va ser una activa feminista, i ambdues van mantenir una estreta amistat per gairebé 40 anys, tot i la gran diferència d'edat (27 anys). Florence va decidir no seguir els passos de les dones de la seva classe (el matrimoni i l'atenció dels fills) i va voler dedicar la seva vida al servei dels altres, dedicant-se a les tasques d'infermeria.

El seu gran moment arribaria de les mans de Sidney Herbert, a qui va conèixer a Roma el 1847, i que va ser Secretari de la Guerra durant la sagnant Guerra de Crimea. Gràcies a les gestions d'Herbert, el 21 d'octubre de 1854, Florence, al costat de 38 infermeres voluntàries, va ser enviada al front, a Scutari (Istanbul). Les condicions en què troba als soldats ferits són terribles: indiferència, falta d'higine, infeccions en massa, la qual cosa porta a una taxa elevadíssima de defuncions.

Nightingale va fer pública aquesta situació a The Times i va demanar una solució immediata al govern, que va decidir enviar un hospital prefabricat als Dardanels. Això va millorar la situació, però van seguir morint soldats ferits a Scutari, més de 4.000 només al primer hivern. Les causes: tifus, còlera i disenteria. Florence va introduir mesures com el rentat de mans que van baixar la taxa de defuncions del 42% al 2%. Aquesta experiència va tenir una influència enorme en la seva carrera posterior, i Florence va dedicar molts esforços a millorar les condicions sanitàries no només en l'exèrcit sinó també als hospitals.

Durant la guerra de Crimea, Nightingale es guanya el suport dels britànics, i arriba a ser coneguda com "La dama del llum", a causa d'un article sobre el seu treball a The Times en el qual la descriu portant un llum a la nit, quan ja s'han retirat els metges, visitant a cada ferit i comprovant el seu estat.

La Guerra de Crimea va ser una de les més cruels de la història, i una mostra de com les aliances de les nacions varien en no gaire temps. Llavors Inglatrerra va batallar al costat de l'Imperi Otomà (l'actual Turquia) i França contra Rússia (Imperi Rus en l'època). Va durar des de 1853 a 1856, i la seva causa va ser fonamentalment l'afany rus per l'accés a la Mediterrània (no han canviat molt les coses des de llavors). La guerra va finalitzar amb la signatura del Tractat de París el 30 de març de 1856, que dictava una mar Negra neutral.

Després de Crimea, i gràcies a la seva enorme popularitat, va aconseguir fons per posar en marxa la Training School a l'Hospital St. Thomas en 1860. Aquests cursos segueixen impartint-se a la Universitat King's College de Londres a dia d'avui. El 1859 havia aparegut el seu llibre Notes on Nursing, un llibre pioner i fundacional en infermeria. El seu treball aquí i en altres llocs va continuar creixent, mereixent honors del més alt rang: el 1883, va ser la primera a rebre la Royal Red Cross, va ser nominada com Lady of Grace of the Order of St John, el 1907 es va convertir en primera dona en rebre l'Orde del Mèrit.

Va patir des de molt temps de brucel·losis, malaltia que li va produir molts problemes (entre ells, greus períodes de depressió) però que no va impedir una vida llarga, fins que va morir el 13 d'agost de 1910, als noranta anys.

Fins aquí s'ha explicat una breu biografia de Florence Nightingale, i ara es descriurà el seu treball en el desenvolupament de l'Estadística. La seva gran aportació va ser en la representació de les dades. En efecte, l'Estadística es basa en la recol·lecció de dades i en el seu posterior tractament per extreure conclusions, però el problema és com representar aquestes dades de la manera més senzilla i visual possible.

Florence va utilitzar el que s'ha anomenat "La Rosa de Nightingale", tot i que és el que els estadístics anomenen un gràfic d'àrea polar. La idea és molt simple: consisteix a dividir una cercle en segments circulars del mateix angle però de manera que la seva àrea sigui proporcional al valor de la dada representada. En realitat, el que es fa, és prendre diferents ràdis segons els valors de les dades. Es diu que Florence mirava d'explicar d'una manera molt visual a la Reina Victòria el que estava passant a Scutari.

El gràfic de Florence estava dividit en 12 sectors representant els dotze mesos de l'any, i amb l'àrea de cada un proporcional al nombre de morts d'aquest mes. A més, un codi de colors indicava les causes de les morts. Així, les àrees blaves simbolitzen les morts per malalties infeccioses, les vermelles, morts per ferides i les negres, morts per altres causes. En els gràfics s'aprecia com en el període 1854-1855 les morts van ser sobretot per infeccions, i en el següent període, 1855-1856, hi va haver menys baixes.

Les representacions d'aquest tipus, els anomenats gràfics estadístics (gràfics lineals, de barres i de sectors), van ser impulsats (i pràcticament inventats) per William Playfair (1759-1823), polític i economista anglès. El primer ús de diagrames polars es deu a André-Michel Guerry, que els va cridar "Corbes circulars" (els va usar per mostrar les variacions de la direcció del vent amb les estacions). Léon Lalanne també els va usar més endavant el 1843, i el gran impuls va ser el de Nightingale.

En 1853, Florence Nightingale va esdevenir la la primera dona membre de la Royal Statistical Society i més tard ho seria també de l'American Statistical Association.

Font: Matematicas y sus fronteras

Nou rècord d'eficiència per a cèl·lules fotovoltaiques orgàniques

Un equip d'investigadors afiliats a diverses institucions de la Xina han establert un nou rècord d'eficiència per a les cèl·lules fotovoltaiques orgàniques.

En els últims anys, els científics han estat tractant de trobar una manera de millorar l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques orgàniques, però han estat bloquejades per les característiques de càrrega de materials orgànics. Els materials orgànics no només són més nets, sinó que ofereixen altres beneficis potencials, com ara permetre cèl·lules de pes més lleuger, que també serien flexibles, fent-les útils per a més aplicacions. Però han demostrat ser ineficients en comparació amb les cèl·lules no orgàniques; alguns fins i tot, han suggerit que mai millorarien més del 15%. Les que es basen en silici, per comparació, es troben en el rang de 18 a 22%. En aquest nou treball, els investigadors de la Xina afirmen haver trobat una forma de construir una cèl·lula fotovoltaica orgànica, amb una eficàcia del 17,3%.

Els investigadors creuen que la clau del seu èxit va ser l'ús de models que van desenvolupar per predir quins materials permetrien l'ús de múltiples capes. Les cèl·lules fotovoltaiques orgàniques es basen en l'ús de parells de molècules orgàniques; una que absorbeix la llum i allibera un electró i l'altra per agafar l'electró alliberat. A causa d'aquesta disposició, les cèl·lules orgàniques interactuen mitjançant cèl·lules tàndem fetes amb capes de diferents materials. Els investigadors suggereixen que els esforços realitzats per millorar l'eficiència no han donat els resultats desitjats a causa de les escasses opcions de materials disponibles. Suggereixen que la manera de millorar l'eficiència és buscar nous materials que, en capes, permetin una millor eficiència.

Els investigadors informen que el seu model està basat en la teoria i treballa incloent les característiques de dos materials: observa com els dos materials treballarien conjuntament per convertir la llum solar en energia elèctrica i produir una valoració. També informen que creuen que el seu enfocament un dia conduirà al descobriment de materials que permetran que les cèl·lules solars arribin a un 25% d'eficiència. Un aspecte negatiu, però, és la durabilitat: les cèl·lules de prova utilitzades per l'equip van començar a degradar-se després de només 166 dies d'ús continu.

Font: TechXplore

La tecnologia làser de guia estreta permet comunicacions entre vehicles submarins

Fa gairebé cinc anys, la NASA i el Lincoln Laboratory van fer història quan la demostració de comunicació làser lunar (LLCD) usava un feix làser polsant per transmetre dades d'un satèl·lit que orbitava a la lluna cap a la Terra (més de 239,000 milles) a una velocitat de descàrrega rècord 622 megabits per segon. Ara, els investigadors del Lincoln Laboratory busquen tornar a obrir nous terrenys aplicant la tecnologia de raig làser utilitzada en LLCD per les comunicacions submarines.

La recerca per aplicacions submarines com el LLCD s'aprofita de les guies làser estretes per oferir l'energia necessària al terminal associat per a una comunicació d'alta velocitat. No obstant això, la comunicació làser submarina (lasercom) presenta el seu propi conjunt de reptes. A l'oceà, les guies làser es veuen obstaculitzades per una important absorció i dispersió, que limiten tant la distància que pot recórrer el feix com la velocitat de les dades. Per fer front a aquests problemes, el Laboratori està desenvolupant comunicacions òptiques de guies de feix estret que utilitzen en un vehicle submarí apuntant amb precisió al terminal receptor d'un segon vehicle submarí.

Aquesta tècnica contrasta amb l'enfocament més comú de comunicació submarina que envia el feix de transmissió amb un angle ampli, però redueix el rang i la velocitat de les dades assolibles. En demostrar que es pot adquirir i fer un seguiment de guies òptiques estretes, entre dos vehicles mòbils, s’ha fet un pas important per demostrar la viabilitat del prototipus per aconseguir una comunicació submarina que sigui 10.000 vegades més eficient que altres enfocaments moderns.

La majoria dels sistemes autònoms a sobre del sòl es basen en l'ús de GPS per a la informació de posicionament. No obstant això, com que els senyals GPS no penetren a la superfície de l'aigua, els vehicles submergits han de trobar altres formes d'obtenir aquestes dades importants. Els vehicles submarins confien en els sistemes de navegació inercials grans i costosos que combinen els acceleròmetres, els giroscopis i les dades de la brúixola, així com altres dades quan estan disponibles, per calcular la posició. El càlcul de posició és sensible al soroll i pot acumular ràpidament errors de centenars de metres quan un vehicle està submergit durant períodes significatius de temps.

Aquesta incertesa posicional pot dificultar que un terminal submarí localitzi i estableixi un enllaç amb guies òptiques estretes. Per aquest motiu, s’ha implementat una funció d'escaneig d'adquisició que s'utilitza per interpretar ràpidament la guia sobre la regió incerta, de manera que el terminal complementari pugui detectar el feix i bloquejar activament per mantenir-lo centrat en el detector d'adquisicions i comunicacions del terminal lasercom. Mitjançant aquesta metodologia, dos vehicles poden localitzar, rastrejar i establir un enllaç efectiu, tot i el moviment independent de cada vehicle sota l'aigua.

Un cop els dos terminals làser estan bloquejats entre si i es comuniquen, la posició relativa entre els dos vehicles es pot determinar amb precisió mitjançant l'ús de funcions de senyalització d'ample de banda en forma d'ona de comunicacions. Amb aquest mètode, es pot conèixer de manera precisa el rodament i el rang relatiu entre els vehicles.

Per comprovar la seva capacitat de comunicació òptica submarina, sis membres de l'equip recentment van fer una demostració de precisió i una ràpida adquisició entre dos vehicles mòbils a la piscina del Boston Sports Club de Lexington, Massachusetts. Les seves proves van demostrar que els dos vehicles submarins podrien buscar-se i ubicar-se entre si en un segon. Una vegada enllaçats, els vehicles podrien utilitzar el seu enllaç establert per transmetre centenars de gigabytes de dades en una sessió.

Font: Massachusetts Institute of Technology

Més seguretat pel 'deep-learning' automàtic basat en el núvol

Un nou mètode de xifrat dissenyat pels investigadors del MIT assegura les dades utilitzades en les xarxes neuronals online, sense que es redueixi dràsticament el temps d'execució.

La subcontractació de deep-learning machine és una tendència creixent en aquesta indústria. Les principals empreses tecnològiques han llançat plataformes en el núvol que realitzen tasques de computació, com per exemple, l'execució de dades a través d'una xarxa neuronal convolucional (CNN) per a la classificació d'imatges. Les PIMES i també, altres usuaris, poden carregar dades a aquests serveis amb un fee i obtenir els resultats en poques hores.

Però, què passa si hi ha filtracions de dades privades? En els últims anys, els investigadors han explorat diverses tècniques de còmput segur per protegir aquestes dades sensibles. Però aquests mètodes tenen desavantatges en el rendiment que fan que l'avaluació de la xarxa neuronal (proves i validacions) sigui lenta, a vegades fins a milions de vegades més lenta.

En un document presentat a la conferència de seguretat USENIX, s’ha descrit un sistema que combina dues tècniques convencionals: xifrat homomòrfic i circuits desiguals, de manera que permet ajudar a les xarxes per executar ordres de magnitud més ràpidament que a les aproximacions convencionals.

Els investigadors van provar el sistema, anomenat GAZELLE, en tasques de classificació d'imatges de dos membres. Un usuari envia dades d'imatges xifrades a un servidor online que avalua una CNN i s'executa a GAZELLE. Després d'això, ambdues parts comparteixen informació xifrada d'anada i tornada per tal de classificar la imatge de l'usuari. Al llarg del procés, el sistema assegura que el servidor mai no sap de cap dada carregada, mentre que l'usuari mai no sap res sobre els paràmetres de la xarxa. En comparació amb els sistemes tradicionals, però, GAZELLE va funcionar de 20 a 30 vegades més ràpid que els models d'última generació, tot reduint l'ample de banda de la xarxa requerit.

Una aplicació prometedora per al sistema és la formació de CNN per diagnosticar malalties. Els hospitals podrien, per exemple, formar una CNN per conèixer les característiques de certes condicions mèdiques a partir de les imatges de ressonància magnètica (MRI) i identificar aquestes característiques en les ressonàncies magnètiques carregades. L'hospital podria fer que el model estigui disponible al núvol per a altres hospitals. Però el model format es basa més en les dades del pacient privat. Com que no hi ha models de xifratge eficients, aquesta aplicació encara no està prou preparada.

En aquest treball, s’ha mostrat com fer de manera eficient aquest tipus de comunicació bidireccional segura mitjançant la combinació d'aquestes dues tècniques d'una manera intel·ligent. El següent pas és prendre dades mèdiques reals i mostrar que, encara que s’escalin per a les aplicacions que els usuaris reals es preocupen, encara proporcionen un rendiment acceptable.

Els coautors del document són Vinod Vaikuntanathan, professor associat de EECS i membre del Laboratori d'Intel·ligència Artificial i Informàtica, i Anantha Chandrakasan, degana de l'Escola Tècnica Superior d'Enginyeria i el professora de l'Enginyeria Elèctrica i Informàtica de Vannevar Bush.

El CNN processa les dades d'imatges a través de múltiples capes lineals i no lineals de computació. Les capes lineals fan la matemàtica complexa, anomenada àlgebra lineal, i assignen alguns valors a les dades. En un determinat llindar, les dades es donen a les capes no lineals que fan una computació més senzilla, prenen decisions (com ara la identificació de les funcions d'imatge) i envien les dades a la següent capa lineal. El resultat final és una imatge amb una classe assignada, com ara un vehicle, un animal, una persona o una característica anatòmica.

Els enfocaments recents per assegurar les CNN han implicat l'aplicació de xifres homomòrfiques o circuits descarnats per processar dades a tota una xarxa. Aquestes tècniques són efectives per assegurar dades. Pel que fa a paper, sembla que soluciona el problema, però fan que les xarxes neuronals complexes siguin ineficients, de manera que no serien usades per a cap aplicació del món real.

El xifratge homomòrfic, utilitzat en la computació en núvol, rep i executa la computació tot en dades xifrades, anomenades xifres xifrades, i genera un resultat xifrat que pot ser desxifrat per un usuari. Quan s'aplica a les xarxes neuronals, aquesta tècnica és particularment ràpida i eficaç en la computació de l'àlgebra lineal. Tanmateix, cal introduir una mica de soroll en les dades de cada capa. A través de diverses capes, el soroll s'acumula i la computació necessària per filtrar que el soroll creix cada cop més, reduint la velocitat de computació.

Els circuits Garbled són una forma de computació segura de dues parts. La tècnica pren una entrada d'ambdues parts, fa una computació i envia dues entrades separades a cada part. D'aquesta manera, les parts envien dades als altres, però mai no veuen les dades de la resta, només el resultat rellevant de la seva part implicada. En una xarxa neuronal online, aquesta tècnica funciona bé en les capes no lineals, on la computació és mínima, però l'ample de banda necessita d’una gestió en capes lineals on es treballen a nivell de math-heavy.

Finalment es va assegurar que tant les capes de circuit homomòrfiques com les capes desiguals mantenien un esquema d'aleatorització comú, anomenat "compartiment secret". En aquest esquema, les dades es divideixen en parts separades. Totes les parts sincronitzen les seves peces per reconstruir les dades completes.

A GAZELLE, quan un usuari envia dades xifrades al servei basat en el núvol, es divideix entre ambdues parts. Afegint a cada acció una clau secreta (números aleatoris) que només sap la part. Durant el procés de computació, cada part sempre tindrà una part de les dades, a més dels nombres aleatoris, pel que sembla ser totalment aleatori. Al final de la computació, les dues parts sincronitzen les seves dades. Només llavors l'usuari demana al servei basat en núvol la seva clau secreta. L'usuari pot usar la clau secreta de totes les dades per obtenir el resultat.

Font: Massachusetts Institute of Technology

Els fonons poden tenir una gravetat de massa i aquesta pot ser negativa

Tres físics amb la Universitat de Columbia treballen en una nova teoria sobre fonons de manera que suggereixen que poden tenir una massa negativa i, per això, tenen gravetat negativa. Angelo Esposito, Rafael Krichevsky i Alberto Nicolis han escrit un document sobre la seva teoria, incloent-hi les matemàtiques.

La majoria de les teories mostren les ones sonores com més d'un esdeveniment col·lectiu que no pas unes coses físiques. Es veuen com el moviment de les molècules es contrauen com boles en una taula de billar: l'energia d'una pilota que toca la següent, i així successivament, qualsevol moviment en una direcció es compensa pel moviment en sentit contrari. En aquest model, el so no té massa i per tant no es pot veure afectat per la gravetat.

En els últims anys, els físics han presentat una paraula per descriure el comportament de les ones sonores a una escala molt petita: el fonó. Descriu la manera com les vibracions sonores causen interaccions complicades amb molècules, que permeten que el so es propagui. El terme ha estat útil perquè permet aplicar principis al so que anteriorment s'han aplicat a partícules reals. Però ningú ha plantejat que realment són partícules, el que significa que no hauria de tenir massa. En aquest nou esforç, els investigadors suggereixen que el fonó podria tenir massa negativa, i per això, també podria tenir gravetat negativa.

Per comprendre com això és possible, els investigadors han utilitzat un contenidor ple de fluid com a exemple. En una tassa d'aigua, les partícules d'aigua són més denses a la part inferior de la tassa que les que hi ha a la part superior, això és degut a la gravetat. Però també se sap sovint que el so es mou més ràpid quan es mou a través de material més dens. Llavors, què passa amb el fonònic, com troba aquesta diferència? Els investigadors creuen que es desvien cap a dalt, mostrant qualitats de gravetat negativa. Suggereixen a més que el mateix succeïa amb el so de l'aire que ens envolta, fent que s'incrementi lleugerament. Reconeixen que aquesta pujada seria massa petita per mesurar amb els equips actuals. Però es creu que les millores en tecnologia podrien arribar a provar la teoria.

Font: Universitat de Columbia

Llacunes de seguretat identificades en el protocol d'Internet IPsec

En col·laboració amb la Universitat Opole de Polònia, investigadors de l'Institut Horst Görtz per a la Seguretat en Informàtica (HGI) de Ruhr-Universität Bochum (RUB) han demostrat que el protocol d'Internet IPsec és vulnerable als atacs. El protocol d'intercanvi de claus d'Internet IKEv1, que forma part de la família del protocol, té vulnerabilitats que permeten als atacants potencials interferir amb el procés de comunicació i interceptar informació específica.

Els resultats de la recerca van ser publicats per Dennis Felsch, Martin Grothe i el Prof Dr Jörg Schwenk de la Càtedra de Xarxes i Seguretat de Dades de RUB, i Adam Czubak i Marcin Szymanek de la Universitat d'Opole el passat mes d’agost del 2018 al Simposi de Seguretat d'Usenix.

Com a millora del protocol d'Internet (IP), IPsec ha estat desenvolupat per garantir una comunicació segura criptogràficament a través de xarxes insegures accessibles públicament, com ara Internet, mitjançant mecanismes d'encriptació i autenticació. Sovint, aquest tipus de comunicació és utilitzada per empreses que treballen des d'un lloc de treball descentralitzat, com per exemple, pels representants de vendes o des del treball des de casa de manera que, necessiten accedir als recursos de la companyia. El protocol també es pot utilitzar per configurar la xarxa privada virtual (VPN).

Per habilitar una connexió xifrada amb IPsec, ambdues parts han d'autenticar i definir les claus compartides que són necessàries per a la comunicació. La gestió i l'autenticació de claus automatitzades, per exemple, mitjançant contrasenyes o signatures digitals, es poden dur a terme a través del protocol Internet Key Exchange IKEv1.

Tot i que el protocol es considera obsolet i que una versió més recent, l'IKEv2, ha estat disponible al mercat, es veu que en aplicacions l'IKEv1 encara s'està implementant en sistemes operatius i encara gaudeix de gran popularitat, fins i tot en dispositius més nous. Però aquest protocol té vulnerabilitats, com van trobar els investigadors durant el seu anàlisi.

Durant el seu projecte, els investigadors van atacar el mode d'inici de la sessió basat en el xifratge de l'IPsec desplegant l'anomenat atac de Bleichenbacher, que es va inventar en el 1998. En aquest annex, els errors s'incorporen deliberadament en un missatge codificat, el qual repetidament es enviat a un servidor. Segons les respostes del servidor al missatge danyat, un atacant pot obtenir progressivament millors conclusions sobre els continguts xifrats.

D'aquesta manera, l'atacant s'apropa pas a pas fins que arriba al seu objectiu. És com un túnel amb dos extrems: és suficient si una de les dues parts és vulnerable. Finalment, la vulnerabilitat permet que l'atacant interfereixi amb el procés de comunicació, assumeixi la identitat d'un dels socis de la comunicació i cometi activament el robatori de dades.

L'atac de Bleichenbacher va ser eficaç contra el maquinari de quatre proveïdors d'equips de xarxa. Les parts afectades van ser Clavister, Zyxel, Cisco i Huawei. Tots quatre fabricants han estat notificats, i ara han eliminat els buits de seguretat.

A més del mode d'inici de sessió de xifratge-base, els investigadors també han estat examinant l'inici de sessió basat en contrasenyes. L'autenticació a través de contrasenyes es realitza amb valors hash, que són similars a una empremta digital. Durant l’atac, es va demostrar que tant l'IKEv1 com l'actual IKEv2 presenten vulnerabilitats i es poden atacar fàcilment, especialment si la contrasenya és feble. Una contrasenya complexa proporciona la millor protecció si IPsec es desplega en aquest mode. La vulnerabilitat també es va comunicar al Computer Response Team (CERT), que coordina la resposta als incidents de seguretat informàtica. El CERT va proporcionar assistència als investigadors, ja que van notificar a la indústria sobre la vulnerabilitat.

La vulnerabilitat  identificada de Bleichenbacher no és un error per se, sinó un error d'implementació que es pot evitar, tot depèn de com els fabricants integren el protocol als seus dispositius. D'altra banda, l'atacant ha d'entrar a la xarxa abans per explotar aquesta vulnerabilitat. No obstant això, l'èxit dels investigadors ha demostrat que els protocols establerts com IPsec encara inclouen la bretxa de Bleichenbacher, fent-los potencialment vulnerables a l'atac.

Font: Ruhr-Universitaet-Bochum

Gasos refrigerants naturals

El Protocol de Montreal del 1987 i el Protocol de Kyoto del 1997 van demanar a països del món que eliminessin substàncies com CFC (clorofluorocarburs), HCFC (hidroclorofluorocarburs) i HFC (hidrofluorocarburs) ja que esgoten la capa d'ozó i provoquen l’escalfament global. Molts sistemes de calefacció, ventilació i aire condicionat continuen utilitzant aquests refrigerants sintètics que violen aquests acords internacionals i causen danys ambientals.

Recentment, un equip d'investigadors iranians van investigar com els refrigerants naturals podrien substituir CFC, HCFC i HFC en les bombes de calor geotèrmiques per així, reduir el consum d'energia i els costos operatius.

Els investigadors també van examinar els beneficis ambientals i econòmics dels refrigerants zeotrópics i azeotròpics, així com els refrigerants naturals. Segons la seva modelització, els investigadors van determinar que els materials naturals, incloent amoníac i n-butà, són els refrigerants de reemplaçament més econòmics i respectuosos amb el medi ambient per a les bombes de calor geotèrmiques.

Les bombes de calor geotèrmiques treballen amb l’explotació de la temperatura per sota de la superfície de la terra de manera que permeten una estabilització Mitjana de de 10ºC utilitzant un cicle de compressió de vapor equipat amb canonades enterrades en rases horitzontals o perforacions verticals. Les bombes de calor geotèrmiques extreuen la calor del sòl (a l'hivern) i dissipen la calor al terra (a l'estiu) fent circular fluids com l'aigua a través de canonades enterrades. Aquest disseny aprofita les temperatures moderades del terra per augmentar l'eficiència i reduir els costos operatius dels sistemes de calefacció i refrigeració.

En la seva revisió, els investigadors van executar un programa d'anàlisi per calcular les càrregues de calefacció i refrigeració en un edifici residencial de 14 pisos. El gran repte per als propers anys en la indústria de la climatització i la refrigeració serà establir la tecnologia de refrigerant natural per substituir CFC, HCFC i refrigerants HFC. Una solució per reduir el consum d'energia de les bombes de calor serà utilitzar la terra com a font de calor renovable, tant per augmentar l'eficiència com per crear una diversitat de fonts d'energia.

Font: Institut Americà de Física

Control de nano-commutadors de níquel amb llum

Giordano Mattoni, investigador quàntic de TU Delft, i els seus col·laboradors han demostrat que la transició de fase nanoelèctrica en una classe de materials coneguda com nickelates pot ser controlada per llum làser. Les seves conclusions, que es van publicar a Physical Review Materials, són un pas important en el camp dels nous materials per a l'electrònica.

Els nickelates són una classe de materials d'estat sòlid amb un conjunt de propietats úniques, incloent-hi que poden experimentar una transició de fase des de la conducció fins a l’aïllament. En investigacions anteriors del MIT, Mattoni i els seus col·legues van mostrar com la transició d'aïllament de metalls es propagava al llarg d'aquests nickelates. En experiments recents, han demostrat que el MIT es pot controlar amb llum làser. Els materials amb propietats físiques reprogramables a nivell de no escala són molt buscats, però no estan disponibles.

Durant els seus experiments en un laboratori de recerca internacional al Regne Unit, els científics van dirigir polsos ultrarràpids amb una durada de 100 femtosegons en una mostra de NdNiO 3 (nickelate de neodimi). En enviar un pols molt ràpid i d'alta energia de la llum làser, es va elevar la temperatura de la mostra de 150 a 152 Kelvin per un petit instantani. Aquest petit augment de la temperatura va ser suficient per canviar la propietat del material de l'aïllament, augmentant la potència del làser, es podria controlar el material aïllant o metàl·lic que podria ser, i així controlar les seves propietats físiques.

Aquest control també és possible gràcies a una altra propietat del material: la histèresi (del grec per "retardat"). Per Escalfar-se o refredar-se, el material no segueix el mateix patró de transició. Es pot utilitzar aquest fenomen per bloquejar el material en una determinada fase. En la vida quotidiana, la histèresi s'utilitza per controlar els termòstats en sistemes de fred o calefacció central, per exemple. L'activació i la desactivació es controlen detectant la temperatura, de manera que així, els sistemes no s'activen o desconnecten contínuament.

Tot i que aquest estudi era fonamental, els materials en els quals es pot activar i desconnectar la conductivitat es podrien utilitzar per a commutadors i per circuits per a nous dispositius electrònics. Aquests materials es podrien utilitzar per a xarxes neuronals artificials. Fins ara, tots els desenvolupaments en el camp de la intel·ligència artificial s'han realitzat en programari. Si es pot executar algorismes directament amb algun tipus de maquinari, es pot crear realment alguna cosa semblant al cervell humà.

Font: Delft University of Technology

Trencant la llei de Wiedemann-Franz

Un estudi que explora l'acoblament entre els corrents de calor i partícules en un gas d'àtoms fortament interaccionants posa de relleu el paper fonamental de les correlacions quàntiques en els fenomens del transport de manera que trenca la llei Wiedemann-Franz i ha d'obrir un camí experimental per provar idees noves per a dispositius termoelèctrics.

Des de l'experiència quotidiana, se sap que els metalls són bons conductors per a l'electricitat i la cuina inductiva, per a la calor, o per a dispositius electrònics que s'escalfen amb un ús intens. Aquest vincle íntim de calor i transport elèctric no és coincidència. En els metalls típics, ambdós tipus de conductivitat sorgeixen del flux d'electrons lliures, que es mouen com un gas de partícules independents a través del material. Però quan els portadors fermiònics com els electrons interactuen entre si, poden sorgir fenomens inesperats. Estudiant la conducció de calor i partícules en un sistema d'àtoms fermiònics fortament interaccionants, un treball de recerca de Dominik Husmann de l'ETH de Zuric, va trobar una sèrie de comportaments desconcertants que es van establir en aquest sistema a part dels sistemes coneguts en què s'adjunten les dues formes de transport.

En els metalls, la connexió de conductivitat tèrmica i elèctrica es descriu per la llei Wiedemann-Franz, formulada per primera vegada el 1853. En la seva forma moderna, la llei estableix que a una temperatura fixa, la relació entre els dos tipus de conductivitat és constant. El valor d'aquesta proporció és bastant universal, sent el mateix per a una àmplia gamma de metalls i de condicions. Tanmateix, aquesta universalitat es descompon quan els operadors interactuen entre ells. Això s'ha observat en molts metalls que contenen forts electrons correlacionats. Però Husmann i els seus col·laboradors han explorat el fenomen en un sistema en què tenien un exquisit control sobre tots els paràmetres rellevants, que permetien controlar el transport de partícules i de calor en detalls sense precedents.

Els operadors en els seus experiments són els àtoms de liti fermiònic, que els investigadors van refredar a temperatures de submicrokelvíniques i es van aturar amb guies làser. Inicialment, van confinar uns pocs centenars de mil d'aquests àtoms a dos dipòsits independents que es poden escalfar individualment. Una vegada que es va establir una diferència de temperatura entre els dos dipòsits, van obrir una petita restricció entre ells -un contacte anomenat punt quàntum-, iniciant així el transport de partícules i calor (vegeu la figura). El canal de transport també es defineix i es controla mitjançant llum làser. Per tant, l'experiment proporciona una plataforma extraordinàriament neta per estudiar el transport fermiònic. Per exemple, en materials reals, la gelosia a través de la qual el flux d'electrons comença a fondre a altes temperatures. Per contra, en la configuració de l'àtom fred, amb les estructures definides per la llum, no es produeix cap zona «calenta de gelosia», fet que permet centrar-se en els propis operadors.

Quan Husmann, va determinar la relació entre la conductivitat tèrmica i la partícula en el seu sistema, van trobar que era un ordre de magnitud per sota de les prediccions de la llei Wiedemann-Franz. Aquesta desviació indica una separació dels mecanismes responsables de les corrents de partícules i de calor, en contrast amb la situació tan observada generalement, per als operadors lliures. Com a resultat, el seu sistema es va convertir en un estat en què els corrents de calor i partícules van desaparèixer molt abans que s'hagués arribat a un equilibri entre els dos dipòsits en termes de temperatura i nombre de partícules.

A més, es va trobar una altra mesura per al comportament termoelèctric, el coeficient Seebeck, d'un valor proper al que s'esperava per a un gas Fermi no interactiu. Això és desconcertant, ja que en algunes regions del canal, els àtoms fortament interaccionats es trobaven en el règim superfluid (en el qual un flux de gas o líquid sense viscositat) i en el superfluid prototip, l'heli-4, el coeficient de Seebeck és zero. Aquesta discrepància indica un altre caràcter termoelèctric per al gas fermiònic estudiat per l'equip de l'ETH.

Aquestes troballes donen lloc a nous reptes per a la modelització microscòpica de sistemes de fermió que interactuen fortament. Al mateix temps, la plataforma establerta amb aquests experiments podria ajudar a explorar nous conceptes per a dispositius termoelèctrics, com són els refrigeradors i els motors que es basen en diferències de temperatura interconvertides en el flux de partícules i viceversa.

Font: ETH Zurich

Un altre pas endavant en l'ordinador quàntic universal

Investigadors han demostrat portes quàntiques holonòmiques en camp magnètic zero a temperatura ambient, que podrien permetre fer ordinadors quàntics universals ràpids i tolerants a errors.

Una computadora quàntica és una màquina teòrica amb capacitat de resoldre problemes complexos molt més ràpids que els ordinadors convencionals. Actualment, els investigadors treballen en el següent pas en la computació quàntica, construint una computadora quàntica universal.

El document, publicat a la revista Nature Communications, informa d'una demostració experimental de portes quàntiques holonòmiques no radiabàtiques i no abelianes sobre un qubit de spin geomètric en un nucli d'electró o nitrogen que permet avançar en la realització d'una computadora quàntica universal.

La fase geomètrica és actualment una qüestió clau en la física quàntica. Es creu que una porta quàntica holonial i purament manipuladora de la fase geomètrica en el sistema estatal degenerat és una forma ideal de construir una computadora quàntica universal tolerant a les falles. La porta de fase geomètrica o la porta quàntica holonomica s'ha demostrat experimentalment en diversos sistemes quàntics, inclosos en els centres de nitrogen-vacants (NV) dels diamants. No obstant això, els experiments anteriors requerien de microones o ones de llum per manipular el subespai no degenerat, la qual cosa comporta la degradació de la fidelitat de la porta a causa de la interferència no desitjada de la fase dinàmica.

Per evitar interferències no desitjades, s’ha utilitzat un subespai degenerat de la triplet spin qutrit per formar un qubit lògic ideal, que s’ha anomenat un qubit de spin geomètric, en un centre de NV. Aquest mètode ha facilitat obtenir portes geomètriques ràpides i precises a una temperatura inferior a 10 K, de manera que la fidelitat de la porta estava limitada per la relaxació radiativa. Basant-se en aquest mètode, en combinació amb microones polaritzades, s’ha aconseguit la manipulació de la fase geomètrica en un centre NV de diamant sota un camp magnètic zero a temperatura ambient.

També es va demostrar una porta holonomica de dues voltes per mostrar la universalitat mitjançant la manipulació de l'entrellaçament dels nuclis d'electrons. L'esquema representa una porta purament holònica sense requerir una bretxa d'energia, que hauria induït una interferència de fase dinàmica per degradar la fidelitat de la porta i, per tant, permet un control ràpid i precís de la memòria quàntica de llarga durada, un pas cap a la realització de repetidors quàntics que interfereixin entre el quantum universal ordinadors i xarxes de comunicacions segures.

Font: Universitat Nacional de Yokohama

Com l'ordinador aprèn a driblar

Els jugadors de bàsquet necessiten molta pràctica abans de dominar el driblatge, i resulta que això és cert també per als jugadors animats per ordinador. Mitjançant l'aprenentatge, els jugadors dels videojocs de bàsquet poden obtenir informació de les dades de captura de moviment per afinar les seves habilitats de regateig.

Investigadors de la Carnegie Mellon University i DeepMotion Inc., una companyia de Califòrnia que desenvolupa avatars intel·ligents, han desenvolupat per primera vegada un mètode basat en la física i en temps real per controlar personatges animats que poden aprendre habilitats de regateig de l'experiència. En aquest cas, el sistema aprèn de la captura dels moviments realitzats per persones.

Aquest procés d'aprenentatge de prova i error triga molt, requereix milions d'assaigs, però els resultats són moviments que estan estretament coordinats amb un moviment de pilota físicament plausible. Els jugadors aprenen a driblar entre les seves cames, passar per darrere de les seves esquenes i fer moviments creuats, així com a passar d'una habilitat a una altra.

Una vegada que les habilitats s'aprenen, els nous moviments es poden simular molt més ràpid que en temps real, segons Jessica Hodgins, professora d'informàtica i robòtica de Carnegie Mellon. Hodgins i Libin Liu, científic cap de DeepMotion, va presentar el mètode de SIGGRAPH 2018, a la Jornada sobre Informàtica Gràfica i Tècniques Interactives, del 12 al 18 d'agost, a Vancouver.

Aquesta investigació obre la porta per simular esports amb avatars virtuals qualificats. La tecnologia es pot aplicar més enllà de la simulació esportiva per crear més personatges interactius per al joc, l'animació, l'anàlisi del moviment i, en el futur, la robòtica. Les dades de captura de moviment ja afegeixen realisme als videojocs d'última generació. Però aquests jocs també inclouen artefactes desconcertants, com pilotes que segueixen trajectòries impossibles o que semblen adherir-se a la mà d'un jugador.

Un mètode basat en la física té el potencial de crear jocs més realistes, però aconseguir els detalls més subtils és difícil. Això és especialment el que cal per regatejar en el bàsquet perquè el contacte del jugador amb la pilota és breu i la posició del dit és fonamental. Alguns detalls, com la forma en què una bola pot seguir girant breument quan fa contacte amb les mans del jugador, són difícils de reproduir. Un cop alliberada la pilota, el jugador ha d'anticipar quan i on tornarà la pilota.

Les dades de captura de moviment utilitzades com a entrada eren persones que feien coses com ara girar la pilota al voltant de la cintura, driblar mentre corria i botar al lloc amb la mà dreta i al mateix temps canviar de mà. Aquestes dades de captura no inclouen el moviment de la bola ja que és difícil de registrar amb precisió. En lloc d'això, van utilitzar l'optimització de la trajectòria per calcular els camins més probables de la bola per a un moviment donat de la mà.

El programa va aprendre les habilitats en dues etapes: primer va dominar la locomoció i després va aprendre a controlar els braços i les mans i, a través d'ells, el moviment de la pilota. Aquest enfocament desacoblat és suficient per a accions com ara el regateig o potser el malabarisme, on la interacció entre el personatge i l'objecte no té efecte en el balanç del personatge.

Font: Universitat Carnegie Mellon

El mini accelerador d'antimatèria podria rivalitzar amb el gran colisionador d'Hadrons

Els investigadors han trobat una manera d'accelerar l'antimatèria en un espai unes 1.000 vegades més petit que els acceleradors actuals. El nou mètode es podria utilitzar per detectar més misteris de la física, com les propietats del bosó Higgs i la naturalesa de la matèria i l'energia fosca.

El mètode s'ha modelat usant les propietats dels làsers existents. La tecnologia podria permetre a molts més laboratoris de tot el món dur a terme experiments d'acceleració de l’antimatèria. Els acceleradors de partícules en instal·lacions com el Large Hadron Collider (LHC) al CERN i la Font de llum coherent de Linac (LCLS) a la Universitat de Stanford als Estats Units, acceleren partícules elementals com protons i electrons. Aquestes partícules accelerades es poden trencar, per produir partícules més elementals, com el bosó Higgs, que dóna a totes les altres partícules massa. També es poden utilitzar per generar llum làser de raigs X, que s'utilitza per a imatges de processos extremadament ràpids i petits, com és el cas de la fotosíntesi.

No obstant això, per arribar a aquestes altes velocitats, els acceleradors necessiten utilitzar equips de dos quilòmetres com a mínim. Però els investigadors de l'Imperial College de Londres haurien inventat un sistema que podria accelerar els electrons utilitzant només metres. Aquest mètode, permet accelerar la versió d'antimatèria dels electrons, anomenats positrons, en un sistema que només tindria centímetres.

L'accelerador requerirà d’un tipus de sistema làser que actualment cobreix uns 25 metres quadrats, però que ja està present en molts laboratoris de física. El mini accelerador d'antimatèria podria rivalitzar amb el gran colisionador d'Hadrons.

Amb aquest nou mètode d'accelerador, es podria reduir dràsticament la mida i el cost de l'acceleració d’antimatèria. Actualment només és possible utilitzar grans instal·lacions de física invertint desenes de milers de dòlars en els laboratoris de física. Les tecnologies utilitzades en instal·lacions com el Large Hadron Collider o la Font de la Llum coherent de Linac no han experimentat avenços significatius des de la seva invenció en la dècada de 1950. Una nova generació d'acceleradors compactes, energètics i econòmics de partícules elusives, permetria provar una nova física i permetre que molts més laboratoris d'arreu del món s'uneixin en acumular més esforços de recerca.

Tot i que el mètode està experimentant una validació, el Dr. Sahai confia que serà possible produir un prototip de treball en un parell d'anys, basant-se en l'experiència prèvia del Departament en la creació de guies d'electrons utilitzant un mètode similar.

El mètode utilitza làsers i plasma, un gas de partícules carregades, per produir i concentrar els positrons per accelerar-los per crear un feix. Aquest accelerador podria utilitzar làsers existents per accelerar les guies de positrons amb desenes de milions de partícules amb la mateixa energia que es necessita durant dos quilòmetres a l'accelerador de Stanford.

Les guies d'electrons i de positrons que pateixen col·lisions, podrien tenir implicacions en la física fonamental. Per exemple, podrien crear una taxa més alta de bosons d'Higgs que els LHC, permetent als físics estudiar millor les seves propietats. També es podrien utilitzar per buscar noves partícules que es pensaven que existien en una teoria anomenada "supersimetría", la qual, omple alguns buits del Model Estàndard de física de partícules.

Les guies de positrons també tindrien aplicacions pràctiques. Actualment, quan es comproven les falles i els riscos de fractura en els materials de les estructures d'avions, màquines i xips d'ordinador, els positrons interactuen d'una manera diferent amb aquests materials que els raigs X i els electrons, de manera que proporcionen una altra dimensió al procés de control de qualitat.

Font: Impereial College London

Zephyr S, un drone d'alta alçada

Un avió ha establert un rècord de resistència. Concretament, The Engineer va informar que va estar a l'aire durant 25 dies, 23 hores i 57 minuts. L'avió, sense pilots, construït al Regne Unit, va enlairar-se des d'Arizona i va aterrar amb seguretat. Els informes van dir que el vol va superar un registre de resistència anterior de 14 dies.

Aquest és el drone spy Zephyr d’Airbus SE, en la seva primera versió. Zephyr és un pseudo-satèl·lit d'alta alçada (HAPS). Funciona a l'estratosfera (la segona capa de l'atmosfera a mesura que avança). El Zephyr opera a una altitud que està per sobre dels sistemes meteorològics del planeta, on només van pujar el Concorde, l'avió espia U2 i el Mach 3 SR-71 Blackbird.

A banda d'establir un nou registre de resistència, aquest drone es centra en la seva alternativa menys costosa als satèl·lits convencionals, i més àgils. No compleix el paper del satèl·lit tot i que podria  funcionar com un satèl·lit. The Economist va dir que "l'avió solar d'aquest tipus pot competir amb els satèl·lits dels mercats per a l'observació de la Terra i les telecomunicacions".

Airbus va dir que això era "el primer avió no tripulat d'aquest tipus per volar a l'estratosfera". En quant a les característiques solars, Airbus va dir que Zephyr funciona amb energia solar, per sobre del trànsit aeri convencional. És un HAPS: un pseudo satèl·lit d'alta altitud.

Un aspecte a resoldre ha estat el seu pes lleuger: 75 quilos (165 lliures). Té una envergadura de 25 metres (82 peus). No té tren d'aterratge, o, de fet, qualsevol altra cosa que afegeixi un pes innecessari.

Les fibres de carboni per a la seva construcció eren més primes que un cabell humà. La construcció és tan lleugera que pot ser llançada a mà per tres persones. Els requisits de llançament del Zephyr són senzills en comparació amb l'aviació tradicional. No cal cap pista d'aterratge, cap aeroport.

Es vol comprovar en els pròxims dies totes les dades i resultats d'enginyeria i així, començar a preparar els vols addicionals planificats per a la segona meitat d'aquest any des del nou lloc d'operacions al camp d'aviació de Wyndham a Austràlia Occidental.

Les aplicacions inclouen comunicacions remotes, vigilància marítima, patrulles de fronteres, mesura del canvi ambiental i control de la propagació d'incendis forestals i vessaments de petroli.

Font: Airbus

Díodes optoelectrònics en fibres units en teles rentables

L'últim desenvolupament en tèxtils i fibres és una mena de maquinari suau que es pot utilitzar: teles que disposen de dispositius electrònics incorporats.

Els investigadors del MIT ara incorporen dispositius semiconductors optoelectrònics d'alta velocitat, inclosos díodes emissors de llum (LED) i fotodetectors de díodes, dins de fibres que després es van teixir a Inman Mills, a Carolina del Sud, en teixits suaus i rentables i convertits en sistemes de comunicació. Això marca l'assoliment d'un objectiu molt desitjat de crear teles "intel·ligents" mitjançant la incorporació de dispositius semiconductors, el component clau de l'electrònica moderna, que fins ara era la peça que faltava per fabricar teles amb una sofisticada funcionalitat.

Aquest descobriment, segons els investigadors, podria desencadenar una nova "Llei de Moore" per a les fibres, és a dir, una ràpida progressió en què les capacitats de les fibres creixeran ràpidament i de forma exponencial amb el pas del temps, així com les capacitats dels microxips han crescut durant dècades.

Les fibres òptiques s'han produït tradicionalment mitjançant l'elaboració d'un objecte cilíndric anomenat "preforma", que és essencialment un model més escalat de la fibra, després escalfant-lo. El material suavitzat es dibuixa o tira cap avall sota la tensió i la fibra resultant es recull en un carrete.

L'avanç clau per produir aquestes noves fibres era afegir als díodes semiconductors d'emissió de llum de preforma de la mida d'un gra de sorra i un parell de cables de coure, una fracció de l'amplada del cabell. Quan s'escalfa en un forn durant el procés de dibuix de fibra, la preforma de polímer es llicita parcialment, formant una fibra llarga amb els díodes alineats al llarg del centre i connectats pels cables de coure.

En aquest cas, els components sòlids eren dos tipus de díodes elèctrics fabricats amb tecnologia microxip estàndard: díodes emissors de llum (LED) i díodes de fotosensió. Tant els dispositius com els cables mantenen les seves dimensions mentre tot es redueix al voltant d'ells" en el procés de dibuix, diu Rein. Les fibres resultants es van teixir en teixits, que van ser rentades 10 vegades per demostrar la seva practicitat com a possible material per a la confecció.

"Aquest enfocament afegeix una nova visió del procés de fabricació de fibres", diu Rein, que va ser l'autor principal del paper i va desenvolupar el concepte que va conduir al nou procés. "En lloc de dibuixar tot el material en estat líquid, es van barrejar en dispositius en forma de partícules, juntament amb cables de metall prim".

Un dels avantatges d'incorporar la funció al material de fibra és que la fibra resultant és inherentment impermeable. Per demostrar això, l'equip va col·locar algunes de les fibres de fotodetecció dins d'un tanc de peix. Una llum exterior de l'aquari transmet música (apropiadament, la "Música de l'aigua" de Handel) a través de l'aigua a les fibres en forma de senyals òptics ràpids. Les fibres del dipòsit convertiren els polsos de llum, tan ràpids que la llum es manté ferma a simple vista, a senyals elèctrics, que després es convertien en música. Les fibres van sobreviure a l'aigua durant setmanes.

Encara que el principi sàpiga simple, fent-lo funcionar de manera constant i assegurant-se que les fibres es puguin fabricar de forma fiable i quantitativa, ha estat un procés llarg i difícil. El personal de l'Institut Advanced Functional Fabric of America, liderat per Jason Cox i Chia-Chun Chung, va desenvolupar els camins per augmentar el rendiment i la fiabilitat general, fent que aquestes fibres estiguin preparades per a la transició a la indústria. Al mateix temps, Marty Ellis d'Inman Mills va desenvolupar tècniques per teixir aquestes fibres en teixits utilitzant un teler de fabricació industrial convencional.

Es preveu que els primers productes comercials que incorporen aquesta tecnologia arribaran al mercat des de l'any vinent, una progressió extraordinàriament curta des de la investigació de laboratori fins a la comercialització. Aquest desenvolupament ràpid del mercat laboral va ser una part clau de la creació d'un col·lectiu acadèmic-industrial-governamental com AFFOA, en primer lloc, diu. Aquestes aplicacions inicials seran productes especialitzats que impliquin comunicacions i seguretat. Serà el primer sistema de comunicació de la tela. En aquest moment, s'està en el procés de transició de la tecnologia als fabricants nacionals i la indústria a una velocitat i escala sense precedents.

Més enllà de les comunicacions, les fibres podrien tenir aplicacions significatives en el camp biomèdic. Per exemple, els dispositius que utilitzen aquestes fibres podrien utilitzar-se per fabricar una polsera que pogués mesurar els nivells d'oxigen de pols o sang, o es teixeixin en un embenat per controlar contínuament el procés de curació.

Font: Massachusetts Institute of Technology

Aproximació al control coherent d'un sistema quàntic de tres nivells

Per primera vegada, els investigadors van poder estudiar la interferència quàntica en un sistema quàntic de tres nivells i, per tant, controlar el comportament dels girs electrònics individuals. Amb aquesta finalitat, van utilitzar una nova nanoestructura en la qual un sistema quàntic s'integra en un oscil·lador mecànic a escala nanomètrica en forma de diamant.

El gir electró és una propietat mecànica quàntica fonamental. En el món quàntic, el spin electrònic descriu la direcció de rotació de l'electró al voltant del seu eix, que normalment pot ocupar dos anomenats eigenstates comunament denotats com "up" i "down". Les propietats quàntiques del spin ofereixen perspectives interessants per a les tecnologies futures, per exemple, en forma de sensors quàntics extremadament precisos.

Investigadors liderats pel professor Patrick Maletinsky i el candidat PhD Arne Barfuss de l'Institut Suís de Nanociència de la Universitat de Basilea han informat a Nature Physics un nou mètode per controlar el gir quàntic amb un sistema mecànic.

Per al seu estudi experimental, van combinar un sistema quàntic d'aquest tipus amb un oscil·lador mecànic. Més concretament, els investigadors van emprar electrons atrapats en els anomenats centres de vacants de nitrogen i van incrustar aquests girs en ressonadors mecànics de monocristalls de diamant.

Aquests girs de vacants de nitrogen són especials, ja que posseeixen no només dos, sinó tres eigenstates, que es poden qualificar de "up", "down" i "zero". Utilitzant l'acoblament especial d'un oscil·lador mecànic al spin, van mostrar per primera vegada el control quàntic complet sobre un sistema de tres nivells, d'una manera no possible abans.

En particular, l'oscil·lador els va permetre fer front a les tres possibles transicions en l'spin i estudiar com les vies d'excitació resultants interfereixen entre si. Aquest escenari, conegut com a "conducció de conductors tancats", mai no s'ha investigat abans, obre perspectives fonamentals i pràctiques interessants. Per exemple, la seva experiència permet una ruptura de la simetria de reversió temporal, cosa que significa que les propietats del sistema es veuen fonamentalment diferents si la inversió del sentit del temps és inversa. En aquest escenari, la fase de l'oscil·lador mecànic va determinar si el gir va circular en "sentit horitzontal" (direcció de rotació cap amunt, cap avall, zero, cap amunt) o "cap a l'esquerra".

Aquest concepte abstracte té conseqüències pràctiques per als estats quàntics fràgils. Similar a l'experiment conegut de Schrödinger's Cat, els girs poden existir simultàniament en una superposició de dos o tres dels estats electrònics disponibles durant un període determinat, l'anomenat temps de coherència quàntica.

Si els tres eigenstates estan acoblats entre si mitjançant la conducció de corrent tancada descoberta aquí, el temps de coherència es pot ampliar de manera significativa, tal com els investigadors van poder mostrar. En comparació amb els sistemes en què només es mouen dues de les tres possibles transicions, la coherència augmenta gairebé un centenar. Aquesta protecció de coherència és un element clau per a les futures tecnologies quàntiques i un altre resultat principal d'aquest treball.

Els resultats tenen un gran potencial per a futures aplicacions. És concebible que el sistema híbrid ressonador-spin es pugui utilitzar per a la mesura precisa de senyals temporals amb freqüències en el rang de gigahertz, per exemple, en la detecció quàntica o el processament d'informació quàntica. Per a les senyals que depenen del temps que surten d'objectes de nanoescala, aquestes tasques són actualment molt difícils d'abordar d'una altra manera. Aquí, la combinació de spin i un sistema oscil·lador podria ser útil, en particular a causa de la protecció demostrada de la coherència de l'spin.

Font: Universitat de Basilea