La tecnologia dels valleytronics

Un estudi liderat per Princeton ha revelat un comportament electrònic emergent en la superfície dels cristalls de bismut que podria ajudar a conèixer la zona de creixement de la tecnologia coneguda com a "valleytronics".

El terme es refereix a valls d'energia que es formen en cristalls i que poden atrapar electrons individuals. Aquestes valls potencialment podrien utilitzar-se per emmagatzemar informació, millorant considerablement allò que és capaç amb dispositius electrònics moderns.

En el nou estudi, els investigadors van observar que els electrons en el bismut, prefereixen submergir-se en una vall en comptes de distribuir-los igualment a les sis valls disponibles. Aquest comportament crea un tipus d'electricitat anomenat ferroelectricity, que implica la separació de càrregues positives i negatives en els costats oposats d'un material.

Aquesta recerca confirma una recent predicció que la ferroelectricitat sorgeix naturalment a la superfície del bismut quan els electrons es recullen en una sola vall. Aquestes valls no són fosses literals en el cristall sinó que són com a butxaca de baixa energia on els electrons prefereixen descansar.

Els investigadors van detectar els electrons congregats a la vall utilitzant una tècnica anomenada microscòpia de túnel d'escaneig, que implica moure una agulla extremadament fina cap a l'altre costat de la superfície del cristall. Ho van fer a temperatures que anaven a prop de zero absolut i sota un camp magnètic molt fort, fins a 300.000 vegades més gran que el camp magnètic de la Terra.

El comportament d'aquests electrons és el que es pot explotar en tecnologies futures. Els cristalls consisteixen en unitats altament ordenades i repetitives d'àtoms, i amb aquest ordre apareixen comportaments electrònics precisos. Els comportaments electrònics del silici han impulsat els avanços moderns en tecnologia, però per ampliar les nostres capacitats, els investigadors estan explorant nous materials. Valleytronics intenta manipular els electrons per ocupar determinades butxaques d'energia sobre els altres.

L'existència de sis valls en bismut planteja la possibilitat de distribuir informació en sis estats diferents, on la presència o absència d'un electró es pot utilitzar per representar informació. La troballa que els electrons prefereixen agrupar en una sola vall és un exemple de "comportament emergent" perquè els electrons actuen junts per permetre que sorgeixin noves conductes que d'una altra manera no es produirien.

El comportament que emergeix per les interaccions entre els electrons és quelcom fonamental en la física. Altres exemples de comportament emergent impulsats per la interacció inclouen la superconductivitat i el magnetisme.

Font: Universitat de Princeton

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

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

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

Un estudi troba defectes en la gravetat emergent

En els últims anys, alguns físics han estat investigant la possibilitat que la gravetat no sigui en realitat una força fonamental, sinó un fenomen emergent que sorgeix del moviment col·lectiu de petits trossos d'informació codificats en superfícies espai-temps anomenades pantalles hologràfiques. La teoria, anomenada gravetat emergent, es basa en l'existència d'una estreta relació entre la gravetat i la termodinàmica.

No obstant això, la gravetat emergent ha rebut la seva part de la crítica de manera que, un nou document s'ha afegit a aquesta crítica demostrant que les superfícies de la pantalla hologràfica descrites per la teoria no es comporten de forma termodinàmica, posant en dubte una hipòtesi clau de la teoria.

Zhi-Wei Wang, físic de la Universitat de Jilin a Changchun, Xina, i Samuel L. Braunstein, professor de ciències computacionals quàntiques de la Universitat de York al Regne Unit, han publicat el seu treball sobre superfícies no termodinàmiques en un número recent de Nature Communications.

La gravetat emergent té afirmacions molt fortes: que pot explicar coses com la matèria fosca i l'energia fosca, però també reprodueixen les dècades de treball que provenen de la relativitat general regular. Aquesta última afirmació, ara es veu imposada per aquest treball, de manera que els defensors de la gravetat emergents tindran la seva feina en mostrar coherència amb l'enorme cànon de resultats observacionals.

En el context cosmològic, les superfícies es refereixen generalment a qualsevol àrea bidimensional en l'espai-temps. Algunes d'aquestes superfícies, com ara els horitzons dels forats negres i altres objectes, es confirmen com termodinàmica. Per a horitzons de forats negres, això s'ha conegut des dels anys 70, ja que les mateixes lleis que defineixen els mecanismes de forats negres són directament anàlegs a les lleis de la termodinàmica. Això significa que els horitzons del forat negre obeeixen a principis termodinàmics com la conservació de l'energia i tenen una temperatura positiva i entropia.

Més recentment, les superfícies que no són horitzons s'han conjecturat per obeir les lleis de la termodinàmica, amb les pantalles hologràfiques en la teoria de la gravetat emergent com un exemple. No obstant això, fins ara aquestes conjectures no han estat plenament justificades.

En el nou article, els científics van provar si diferents tipus de superfícies obeeixen a un analògic de la primera llei de la termodinàmica, que és una forma especial de conservació de l'energia. Els seus resultats revelen que, mentre que les superfícies prop de forats negres obeeixen a la primera llei, les superfícies ordinàries, incloses les pantalles holográficas, en general no ho fan. L'única excepció és que les superfícies normals que són esfèricament simètriques, obeeixen a la primera llei.

Com expliquen els científics, la troballa que els horitzons allargats obeeixen a la primera llei no és sorprenent, ja que aquestes superfícies hereten gran part del seu comportament des dels horitzons propers. Tot i això, els científics adverteixen que els resultats no impliquen necessàriament que els horitzons estirades compleixin totes les lleis de la termodinàmica. D'altra banda, la constatació que les superfícies ordinàries no obeeixen a la primera llei és més inesperada, especialment perquè és un dels supòsits clau de gravetat emergent. Anant endavant, els investigadors treballaran per entendre què significa això per al futur de la gravetat emergent, així com explorar altres possibles implicacions.

Es passa molt de temps treballant com reproduir els resultats originals dels forats negres dels anys 70. Encara que els mètodes dels anys 70 eren extremadament tediosos per replicar-los en detall, es trobàvem molt poderosos i ara es creu si hi ha alguna manera de generalitzar aquests resultats a altres escenaris. A més, es pensa que aquesta fórmula per a la desviació de la distància de  la primera llei, s'allunya dels horitzons i tindrà implicacions importants per a la gravetat quàntica.

Font: Nature Communications

Els científics resolen un problema teòric obert sobre les interaccions electròniques

Shaffique Adam, professor associat de Ciències (Física) a Yale-NUS, és l'autor principal d'un treball recent que descriu un model d'interacció electrònica en materials de Dirac, una classe de materials que inclou aïlladors de grafè i topològics, que resol un problema teòric obert fa 65 anys. El descobriment ajudarà als científics a comprendre millor la interacció electrònica en nous materials, aplanant el camí per al desenvolupament d'equips avançats com processadors més ràpids.

El comportament dels electrons es regeix per dues teories principals: la llei de Coulomb i la teoria de líquids de Fermi. Segons la teoria de líquids de Fermi, els electrons en un material conductor es comporten com un líquid: el seu "flux" a través d'un material és el que provoca l'electricitat. Per als fermions de Dirac, la teoria de líquids de Fermi es descompon si la força de Coulomb entre els electrons travessa un determinat llindar: els electrons "es congelen" en un patró més rígid que inhibeix el "flux" dels electrons, fent que el material es converteixi en no conductor.

Durant més de 65 anys, aquest problema era una curiositat matemàtica, perquè els materials de Dirac on es va arribar el llindar de Coulomb encara no existie. Avui en dia, però, utilitzem materials quantics per a aplicacions en tecnologia, com transistors en processadors, on els electrons estan dissenyats per tenir propietats desitjades, incloent aquelles que possent a proba la força de Coulomb per sobre d'aquest llindar. Però els efectes d'una forta interacció electrònica només es pot veure en mostres molt netes.

En els treballs immediatament posteriors al seu doctorat, el professor associat Adam va proposar un model per descriure materials de Dirac experimentalment disponibles que estaven "molt bruts", que significa que contenen moltes impureses. No obstant això, en els anys que van seguir, s'han obtingut materials més nous i més nets, i la teoria més antiga ja no funcionava.

En aquest últim treball, titulat "El paper de les interaccions entre electrons i electrons en fermions bidimensionals de Dirac", el professor associat Adam i el seu equip de recerca han desenvolupat un model que explica les interaccions d'electrons més enllà del llindar de Coulomb en tots els materials de Dirac utilitzant una combinació de tècniques numèriques i analítiques.

En aquesta investigació, l'equip va dissenyar un mètode per estudiar l'evolució dels observables físics d'una manera controlable i l'utilitzava per fer front als efectes competidors de peces de curt abast i de gran abast en models de la interacció Coulomb. Els investigadors van descobrir que la velocitat dels electrons (la velocitat del "flux") en un material podria disminuir si la interacció de curt abast que va afavorir l'estat aïllant i "congelat" dominava. No obstant això, la velocitat dels electrons podria ser millorada pel component de llarg abast que afavoria l'estat "líquid" conductor. Amb aquest descobriment, els científics poden comprendre millor les interaccions de llarg abast dels electrons no perturbadors, cosa que les teories anteriors no van poder explicar.

Aquesta comprensió millorada en l'evolució de la velocitat electrònica durant la transició de fase allunya el camí per ajudar els científics a desenvolupar dispositius de dissipació de baixa calor per a l'electrònica. Com més alta sigui la velocitat de l'electró, els transistors podran ser més ràpids. Tanmateix, aquest rendiment del processador més ràpid te un preu, una major fuita d'energia, que produeix calor extra i aquesta calor contrarestarà l'augment del rendiment atorgat per la commutació més ràpida. Els resultats sobre el comportament de la velocitat electrònica ajudaran els científics a enginyar dispositius capaços de canviar de manera més ràpida però major rendiment donat per una menor fuga de potència. Com que el mecanisme del nou model aprofita la força de Coulomb, costaria menys energia per 'interruptor' en comparació amb els mecanismes disponible actualment.

 Font: Col·legi Yale-NUS

Les estructures d'hidratació de protons són asimètriques

La manera en què l'aigua es dissol i transporta els protons és una qüestió fonamental per a químics i biòlegs i és fonamental per la nostra comprensió de processos com la fotosíntesis i la respiració cel·lular.

Un equip d'investigadors de la Universitat de Chicago va utilitzar l'espectroscòpia de banda ampla de 2-D per revelar el comportament de protons quan els àcids com l'HCl es dissocien a l'aigua. Encara que els llibres de text de química general normalment ensenyen que el protó s'associa amb l'aigua com un ion hidronial H3O+, es va  descobrir que el protó està fortament lligat entre dues molècules d'aigua i que les estructures són predominantment asimètriques.

S'estan construint les prediccions fetes a través de la modelització computacional, inclòs el treball de Greg Voth, professor de química de la Universitat de Chicago, que és líder en el desenvolupament de models computacionals per a la transferència de protons en aigua pura i sistemes biològics. No obstant això, els reptes experimentals i tècnics a què s'enfrontava l'estudi del protó a l'aigua han deixat sense verificar aquests models. Es creu que aquest estudi ofereix la visió experimental més completa sobre la complicada naturalesa de com l'aigua interactua amb els protons.

L'estudi va ser possible gràcies a avenços en el camp de l'espectroscòpia IR-2 desenvolupada al grup d'Andrei Tokmakoff, professor de química de la Universitat de Chicago i coautor del document. L'IR 2-D utilitza polsos làser infrarojos curts per capturar instantànies de les estructures de les molècules abans de poder moure's. Un cop capaç de capturar una instantània, els investigadors van trobar que hi va haver moltes variacions estructurals possibles quan es compartia un protó entre dues molècules d'aigua i que aquestes estructures persisteixen més del que es pensava anteriorment. Per exemple, el protó podria estar al mig o una mica esbiaixat. O les dues molècules d'aigua podrien variar distàncies entre si.

Aquestes dades s'utilitzaran ara per millorar els models computacionals, que ajudaran els investigadors a determinar quantitativament la naturalesa d'aquestes distribucions estructurals i comprendre per què aquestes estructures persisteixen més del que es pensava anteriorment. A més, el coautor i investigador de postgrau William Carpenter té la intenció d'estudiar com evolucionar les estructures en el temps a mesura que el protó passa d'una molècula d'aigua a la següent. Fournier també planeja aplicar la recerca del transport de protons en processos catalítics.

Molts químics estan tractant de desenvolupar catalitzadors que imiten el que fan les plantes, dividint l'aigua per a noves fonts d'energia neta. Els processos catalítics com la divisió d'aigua es basen en múltiples esdeveniments de transferència de protons. Comprendre com funciona això a nivell molecular podria ajudar a utilitzar l' aigua com a combustible.

Font: Universitat de Chicago

La història de Siemens

Siemens és una potència global en tecnologia. Les activitats de recerca i desenvolupament (R+D) han estat tradicionalment d'una importància estratègica per a la companyia. Al setembre de 1959, Ernst von Siemens va proposar crear la combinació dels laboratoris i departaments que estaven actius en la investigació i el desenvolupament per formar una nova àrea de responsabilitat dins de la Junta Directiva.
L'objectiu era convertir de forma més ràpida, els resultats de la investigació bàsica en productes i solucions concretes. En conseqüència, els laboratoris d'investigació que Siemens - Schuckertwerke des de llavors, operen al sud de les ciutats alemanyes d'Erlangen, Nuremberg i Pretzfeld, es van combinar en una ubicació conjunta a la part sud d'Erlangen. El resultat va ser una instal·lació central equipada amb els més moderns equips per a la realització de la recerca en el camp de l'enginyeria elèctrica. Aquesta iniciativa per part d'Ernst von Siemens, que era en aquell moment President del Consell de Supervisió de les dues empreses matrius Siemens-Schuckertwerke i Siemens & Halske, va ser parcialment influenciat pel fet que, els competidors com General Electric i Philips, ja tenien grans instal·lacions d'investigació.

En una entrevista, Heinz Goeschel, que havia estat cap de la Unitat de Recerca i Desenvolupament de l'Amèrica Central des del 1960, va definir l'abast del nou centre d'investigació com "tot el que té alguna cosa a veure amb la generació i conversió d'energia elèctrica". Entre 1959 i 1965, es van invertir uns 100 milions de marcs alemanys (una sisena part del pressupost de R+D anual de la companyia en el moment) en l'establiment del centre d'Erlangen, al sud de Paul-Gossen-Straße. A partir de llavors, 1.500 empleats van començar a aplicar el seu enginy al laboratori d'investigació, els laboratoris de desenvolupament tecnològics i dels serveis de tecnologia a les instal·lacions que abasten 61.000 metres quadrats. Un punt estratègic era la investigació bàsica en les àrees de la química orgànica i l'electroquímica, la física del plasma i la investigació d'estat sòlid.

Aquests dos últims camps de la tecnologia exerciríen un paper clau a Siemens. En el curs dels anys 1970 i 1980 van servir com a trampolí per a dues àrees de negoci independents:

• L'automatització i
• La tecnologia de reactors

Fites en aquest desenvolupament, que inclouen les primeres investigacions en el camp dels ordinadors de control de processos i la tecnologia de control de la transmissió digital, així com el desenvolupament i prova dels diferents tipus de reactors. Els principals èxits es van aconseguir també en la investigació bàsica en àrees com ara el desenvolupament dels interruptors i transistors superconductors d'alta potència, que van trobar aplicació a la investigació de la ressonància magnètica i la tecnologia de levitació magnètica. Per sobre de tot, el desenvolupament del que després seria el tren de levitació magnètica Transrapid es va beneficiar enormement de la tasca dels investigadors Erlangen: el matalàs magnètic express es va posar a prova en l'operació contínua en una pista de prova especial construïda en el 1973.

Ampliació i realineament estructural
Des de finals de la dècada del 1960, la ubicació d'investigació es va ampliar en diverses ocasions a través de l'addició de nous edificis i instal·lacions de prova, incloent laboratoris de tecnologia de producció, que es movien entre Nuremberg i Erlangen al 1977. Fa 20 anys, que Siemens ha invertit més de 200 milions marcs alemanys per ampliar el centre d'investigació. Per 1990, els locals havien crescut el doble de la seva mida original, i el nombre d'empleats s'havia elevat per sobre de 5000.

Ajustament per al futur
La ubicació de la investigació a Erlangen, està experimentant actualment canvis importants: La globalització i la digitalització han afegit un nou impuls a la necessitat ja important per als investigadors de Siemens per compartir informació i col·laborar amb els instituts de recerca com la Universitat d'Erlangen i amb socis del sector de la indústria. El pla de Siemens Campus Erlangen, està dissenyat per satisfer aquestes necessitats.

Font: Siemens