La simulació quàntica mostra el límit de la mobilitat en un paisatge desordenat de baixa dimensió

Una recent investigació sobre transport electrònic en materials de baixa dimensió (2D o 1D), com el grafè o els nanotubs de carboni, reflecteix el gran potencial d'aquests materials per revelar una comprensió més profunda de les lleis que governen el comportament emergent, a vegades sorprenent, dels electrons. Els científics han investigat materials nous com aquests, per descobrir la física de la superconductivitat topològica i els aïllants topològics. Però un dels majors reptes als quals s'enfronten els investigadors en l'estudi de materials reals és la presència d'impureses no controlades que influeixen en el transport electrònic.

Una manera d'evitar aquest problema, és estudiar els mateixos tipus de fenòmens físics en materials artificials que no tenen imperfeccions naturals. En les últimes dècades, els investigadors han utilitzat àtoms neutres que es mouen en cristalls prístins formats per llum làser per fer simulacions quàntiques per observar efectes físics que serien difícils de veure en materials electrònics reals.
Ara, els científics de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign, que utilitzen una innovadora tècnica de simulació quàntica, han fet una de les primeres observacions d'un límit de mobilitat en un sistema de baixa dimensió. El professor de física, Bryce Gadway i l'estudiant de postgrau Fangzhao Alex An, van poder combinar un material virtual desordenat, en aquest cas un parell de cadenes 1D acoblades amb camps magnètics artificials per explorar aquest fenomen.
El camp magnètic artificial que s'ha dissenyat, fa que els àtoms neutres de l'experiment es comportin com electrons en camps magnètics extremadament grans, equivalents a aplicar centenars d'imants a nivell de Tesla. Es va poder variar la força del camp magnètic artificial sintonitzant les propietats dels àtoms i modificant fortament el límit de la mobilitat observada.

Llavors, què és exactament un límit de mobilitat? Es tracta d'una transició aïllant-a-conductor que depèn de l'energia que es produeix en sistemes desordenats: un règim de transport metàl·lic que sorgeix d'un aïllant especial, anomenat aïllant d'Anderson. Només dos grups han observat un avantatge de mobilitat en les 3-D. Aquest fenomen és induït per un desordre i, d'acord amb les lleis de la física de localització, un límit de mobilitat, i molt menys qualsevol tipus de comportament metàl·lic, no s'hauria de produir en materials 2D o 1D.
Aquesta observació és veritablement ressenyable: aquest tipus de comportament no s'hauria de produir en sistemes de dimensió inferior amb trastorn aleatori. Hi ha una subtilesa per adonar-se en una o dues dimensions que es basa en una mena de trastorn pseudoaleatori. Les correlacions en el trastorn dissenyat, poden permetre la transició d'un aïllant metàl·lic.

El tipus de trastorn correlacionat utilitzat té algunes propietats molt divertides. En particular, hi ha un subtil argument matemàtic que mostra que la transició d'aïllant-metàl·lic que permet és totalment independent de l'energia. Per permetre que sorgeixi un límit de mobilitat, l'ingredient addicional va ser gràcies a la creació de grans camps magnètics.
En aquesta investigació, els científics també van mostrar evidències d'un tipus d'avantguarda encara més intrigant que es va produir en absència dels camps magnètics artificials. Aquest segon tipus de límit de mobilitat es va produir a causa de les interaccions atòmic-àtom, el que va fer que els estats d'energia més alta es comportessin més fortament com un metall i els estats d'energia més baixa per comportar-se amb més força, com un aïllant.

Font: Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign

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

El què passa quan s'escalfa aigua a 100.000 ºC en només un instant

Escalfar a una molt alta temperatura l'aigua, concretament 100.000 ºC en només 0,000.000.000.000.075 segons (una milionèsima de milionèsima de segon), és el que s'ha fet amb un potent làser de raigs X al Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) d'Hamburg (Alemanya) a DESY, el centre d'investigació de física de partícules més gran d'aquell país.

El propòsit era concebre un estat d'aigua especial, gràcies al qual els investigadors esperen aprendre més sobre les característiques del líquid fonamental de la Terra.

Els investigadors van utilitzar el làser d'electrons lliures 'Linac Coherent Light Source' LCLS al laboratori 'SLAC National Accelerator Laboratory', als Estats Units per disparar flaixos extremadament intensos i ultracurts de raigs X en un raig d'aigua.
Segons explica Carl Caleman, del Centre per a la Ciència del Làser d'Electrons Lliures:
"Els raigs X energètics treuen electrons de les molècules d'aigua, destruint així l'equilibri de les càrregues elèctriques. Tot d'una, els àtoms senten una forta força repulsiva i es comencen a moure violentament. En menys de 75 femtosegons, és a dir, 75 milionèsimes d'una milmilionèsima de segon o 0,000.000.000.000.075 segons, l'aigua travessa una transició de fase de líquid a plasma. Però mentre l'aigua es transforma de líquid a plasma, encara roman en la densitat de l'aigua líquida, ja que els àtoms no van tenir temps per moure's significativament encara".

Un plasma és un estat de la matèria on els electrons s'han eliminat dels àtoms, el que condueix a una mena de gas amb càrrega elèctrica. Aquest plasma en particular no es troba a la naturalesa, ja que té característiques similars a alguns plasmes en el sol i el gegant de gas Júpiter, però té una densitat menor.

Font: Alakaciencia

La re-col·lisió d'electrons basada en làser

Científics de l'Institut Max Born d'òptica no lineal i espectroscòpia de pols curt (MBI) de Berlín han combinat experiments d'última generació i simulacions numèriques per provar una hipòtesi fonamental subjacent a la física del camp fort. Els seus resultats refinen la comprensió de processos de camp sòlid com la generació d'alta component harmònica (HHG) i la difracció d'electrons induïda per làser (LIED).

Els polsos forts de làser infrarrojos, poden extreure un electró d'una molècula (ionització), accelerar-lo en espai lliure, girar-lo (propagació) i, finalment, fer-lo xocar amb la molècula recollision. Aquest és el model de tres passos molt utilitzat de la física del camp hard. En el pas de la re-col·lisió, l'electró pot, per exemple, recombinar-se amb el ió primari, donant lloc a una alta generació harmònica o dispersió elàstica, donant lloc a la difracció d'electrons induïda pel làser.
Una de les suposicions més freqüents a la física de l'àtom és que, en el pas de propagació, l'estructura inicial de l'electró ionitzat és rentat, perdent així la informació sobre l'orbital provinent. Fins ara, aquesta hipòtesi no va ser verificada experimentalment en sistemes moleculars.

Un estudi experimental i teòric combinat a l'Institut Max Born de Berlín va permetre investigar la dinàmica de recollida d'electrons impulsada per camps forts en la molècula de 1,3-trans-butadiè. En aquesta molècula, la interacció amb el camp làser hard, condueix principalment a la ionització dels dos electrons més externs que presenten densitats força diferents. Els experiments i simulacions d'última generació van permetre als científics mesurar i calcular la probabilitat de rescatat de l'alt angle per cada electró i per separat. Aquestes probabilitats van resultar ser força diferents, tant en les mesures com en les simulacions. Aquestes observacions demostren clarament que els electrons que tornen retenen informació estructural sobre el seu orbital molecular inicial.

Font: Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

Un gir diferent a la superconductivitat

Quan es connecta un aparell o es prem un interruptor de la llum de les nostres llars, sembla que la llum flueix instantàniament a través dels cables encastats dins de les parets. Però de fet, l'electricitat es transporta per petites partícules anomenades electrons que es desplacen lentament a través dels cables. En el seu viatge, els electrons s'enfronten ocasionalment als àtoms del material, donant-li energia per cada col·lisió.

El grau en què els electrons viatgen sense interrupcions determina el rendiment d'un material que pot conduir electricitat. Els canvis ambientals poden millorar la conductivitat, en alguns casos dràsticament. Per exemple, quan es refreden determinats materials, els electrons s'uneixen perquè puguin fluir sense perdre energia, un fenomen anomenat superconductivitat.
Un equip d'investigadors del Departament de Física de la Universitat de Maryland (UMD) han vist superconductivitat basada en interaccions electròniques molt inusuals. Si bé es preveu que es produeixin en altres sistemes no-materials, aquest tipus de comportament s'ha mantingut evident.

Les interaccions electròniques en superconductors venen determinades per una propietat quàntica anomenada spin. En un superconductor ordinari, els electrons, porten un gir de ½, parell i flueixen lliurement amb l'ajuda de vibracions en l'estructura atòmica. Aquesta teoria està provada i pot descriure el comportament de la majoria dels superconductors. En aquesta nova investigació, l'equip ha descobert l'evidència d'un nou tipus de superconductivitat en el material YPtBi, que sembla sorgir de partícules spin-3/2.
Ningú pensava realment que això era possible en materials sòlids. Els estats d'alta velocitat en àtoms individuals són possibles, però una vegada que els àtoms es col·loquen en un sòlid, aquests estats solen descomposar-se i acabar amb un mig gir.
Trobar que YPtBi es comporta com un superconductor va sorprendre als investigadors. La majoria dels superconductors comencen com a conductors raonablement bons, amb molts electrons mòbils. Segons la teoria convencional, l'YPtBi necessitaria aproximadament mil electrons mòbils per a convertir-se en superconductors a temperatures inferiors a 0,8 Kelvin. I tot i així, després de refredar el material a aquesta temperatura, l'equip va veure que la superconductivitat sempre era possible. Aquest va ser un primer senyal de que hi havia alguna cosa interessant dins d'aquest material.

Després de descobrir la transició superconductora anòmala, els investigadors van realitzar mesures que els donaven informació sobre l'aparellament d'electrons subjacents. Van estudiar una característica dels superconductors: coneguda com la seva interacció amb els camps magnètics. A mesura que el material experimenta la transició cap a un superconductor, aquest intentarà expulsar qualsevol camp magnètic introduït des del seu interior. Però l'expulsió no és completament perfecte. A prop de la superfície, el camp magnètic encara pot introduir el material, però després es descompon ràpidament. Fins a quin punt depèn la naturalesa de l'aparellament d'electrons i canvia a mesura que el material es refreda més i més?
Per investigar aquest efecte, els investigadors van variar la temperatura en una petita mostra del material, tot exposant-la a un camp magnètic més de deu vegades més feble que el de la Terra. Una bobina de coure que envoltava la mostra, va detectar canvis a les propietats magnètiques del superconductor i va permetre a l'equip mesurar sensiblement petites variacions en la profunditat del camp magnètic aconseguit dins del superconductor.
La mesura va revelar una intrusió magnètica inusual. A mesura que el material es va anar escalfant des de el zero absolut, la profunditat de penetració de camp pel YPtBi augmentava linealment en comptes de manera exponencial com ho faria en un superconductor convencional. Aquest efecte, combinat amb altres mesuraments i càlculs teòrics, va limitar les possibles maneres en què els electrons es podrien unir. Els investigadors van concloure que la millor explicació de la superconductivitat eren electrons disfressats de partícules amb una major possibilitat d'espín que fins i tot, no s'havia considerat abans en el marc de la superconductivitat convencional.

El descobriment d'aquest superconductor d'alta velocitat, ha donat una nova direcció a aquest camp d'investigació. Se solia estar tancat en la necessitat d'emparellar amb partícules de mig gir o 1/2 spin, però quan es va començar a considerar un gir més elevat, el panorama d'aquesta recerca superconductora, s'amplia i acaba essent més interessant.
De moment, encara queden moltes preguntes obertes incloent-hi, en primer lloc, com es pot produir aquesta vinculació. Quan es te aquest parell d'alta resolució, quina és la cua que té aquests parells junts? Hi ha algunes idees sobre el que podria estar passant, però encara hi ha preguntes fonamentals que fan que encara sigui més interessant.

Font: Universitat de Maryland

Els científics observen directament la dinàmica electrònica de les aurores boreals

La pluja d'electrons que reboten a la magnetosfera terrestre i que es coneix popularment com el fenomen de les aurores boreals o Northern Lights, ha estat observada directament per primera vegada per un equip internacional de científics. Mentre que la causa d'aquestes aurores coloristes han estat hipòtesis durant molt temps, els investigadors mai no han observat directament el mecanisme subjacent fins ara.

L'espectacle de les aurores boreals, és fantàstic i àmpliament considerat com una de les grans meravelles naturals del món. Hi ha una varietat d'aurores que, de forma comú, apareixen a la matinada, però els mecanismes físics que impulsen aquesta aurora no han estat possibles de verificar mai a través de l'observació.

Amb un nou satèl·lit equipat amb eines de mesura avançades, els investigadors han identificat que aquest fenomen és causat per la interacció difícil d'identificar entre els electrons i les ones de plasma. Aquesta interacció es produeix a la magnetosfera de la Terra, la regió que envolta la Terra, on el comportament de les partícules elèctriques normalment es regeix pel camp magnètic del planeta.

La re-configuració global sovint condueix un tipus específic d'ona de plasma anomenades ones corals per provoquen una pluja d'electrons en l'atmosfera superior. Això estabilitza el sistema, i desprèn una llum colorida a mesura que precipiten els electrons. No obstant això, els científics han qüestionat si les ones corals eren prou potents com per excitar els electrons fins a la creació de les aurores.
Per primera vegada, s'ha observat directament la dispersió dels electrons per les ones corals que generen la precipitació de les partícules a l'atmosfera de la Terra de manera que, el flux d'electrons precipitats és prou intens per generar una aurora pulsant.



Els científics no van poder veure aquesta evidència directa de la dispersió d'electrons abans perquè els sensors electrònics típics no poden distingir els electrons precipitat-se d'altres. Kasahara i el seu equip van dissenyar un sensor electrònic especialitzat que detectés les interaccions precises dels electrons d'aurora impulsats per les ones corals. El sensor estava a bord del satèl·lit per l'exploració de l'energia i la radiació en el geo-espai (ERG).

Font: Universitat de Tòquio

Els electrons en el límit de velocitat

Els components electrònics s'han tornat més i més ràpids en els últims anys. Fan més potents les computadores i altres tecnologies. Els investigadors de l'Escola Federal Politècnica ETH Zurich ara han investigat com electrons ràpids en última instància, es poden controlar amb els camps elèctrics. Els seus punts de vista són d'importància per a l'electrònica futura del petahertz.

La velocitat no pot ser bruixeria, però és la base per a les tecnologies que sovint semblen màgiques. Els ordinadors moderns, per exemple, són tan potents perquè a dins hi ha petits interruptors que dirigeixen els corrents elèctrics en fraccions d'una bilionèsima part d'un segon. D'altra banda, els fluxos de dades increïbles d'internet, només són possibles perquè moduladors extremadament ràpids basats en electro-òptics, poden enviar informació a través de cables de fibra òptica en la forma d'impulsos de llum molt curts.

Els circuits electrònics d'avui dia, treballen ja de forma rutinària en les freqüències de diversos gigahertzs ​​(mil milions de oscil·lacions per segon) fins a terahertzs ​​(mil milions de oscil·lacions). La propera generació d'electrònica, tard o d'hora ha d'arribar el regne del petahertz, que és mil vegades més ràpid encara. Com els electrons es poden controlar tan ràpidament, encara continua sent, en gran part desconegut. En un innovador experiment, un equip dirigit pel professor de l'ETH Ursula Keller ha investigat com els electrons reaccionen a petahertz.

En el seu experiment, Keller i els seus col·laboradors van exposar un petit tros de diamant amb un gruix de només 50 nanòmetres a un pols làser infraroig que dura uns pocs femtosegons (és a dir, una milionèsima d'una bilionèsima part d'un segon). El camp elèctric de la llum làser, que té una freqüència de prop de mig petahertz, va oscil·lar cap enrere i endavant cinc vegades en aquest curt període de temps i per tant els electrons excitats.

En general, l'efecte dels camps elèctrics en els electrons en materials transparents es pot mesurar indirectament per l'enviament de la llum a través del material i tot seguit, l'observació de la força amb el material que absorbeix. Considerant que aquestes mesures són fàcils pels camps elèctrics constants, els camps oscil·lants amb extrema rapidesa d'un raig làser plantegen un repte difícil per als investigadors. En principi, la llum utilitzada per al mesurament de l'absorció només ha d'estar encès per a una fracció del període d'oscil·lació del camp elèctric. Això, al seu torn, vol dir que un impuls de la sonda pot durar només menys d'un femtosegon. D'altra banda, la fase d'oscil·lació del camp elèctric de l'impuls làser ha de ser conegut exactament quan el pols de la sonda s'ha activat.

Bases de la dècada de 1990
L'equip de Keller va realitzar el treball preliminar per a la solució d'aquests problemes ja en la dècada de 1990. "En el moment en que van ser els primers a mostrar com la fase d'oscil·lació d'un pols làser de femtosegon es pot estabilitzar amb precisió", explica Keller que, al seu torn, "és un requisit previ per a la producció de polsos de làser d'attosegons". Aquesta tècnica ja ha estat refinada i avui permet als investigadors detectar polsos de llum en un extrem de l'ultraviolat, amb longituds d'ona de 30 nanòmetres, que només duren una fracció de femtosegon i també se sincronitzen amb la fase d'oscil·lació d'un pols d'infrarojos. En els seus recents experiments, els investigadors de ETH utilitzen un equip que tan aprofita els polsos de làser per excitar els electrons en el diamant amb el camp elèctric de l'impuls d'infrarojos i, al mateix temps, mesurar els canvis d'absorció resultants amb el pols d'attosegons ultraviolada. Van observar que, en efecte, l'absorció característica varia seguint el ritme del camp elèctric del l'impuls infraroig.

Per tal de comprendre més els detalls del que succeïa a l'interior del diamant, és necesssari una mica més de treball de recerca. En primer lloc, un equip d'investigadors dirigit per Katsuhiro Yabana a la Universitat de Tsukuba al Japó en col·laboració amb els físics de l'ETH que van simular la reacció dels electrons en el diamant al pols d'infrarojos usant un superordinador, han de trobar el mateix comportament de l'absorció que es va mesurar a Zuric. Aquestes simulacions inclouen la complexa interacció entre els electrons i la xarxa cristal·lina del diamant, el que resulta en un gran nombre de les anomenades bandes d'energia que els electrons poden ocupar.

El límit de velocitat en el regne petahertz
Al final, va ser crucial per a la interpretació de les dades experimentals. Els investigadors van ser capaços de concloure que l'efecte dinàmic de Franz-Keldysh va ser el responsable de l'absorció en el diamant sota la influència del pols làser infraroig. Considerant que l'efecte Franz-Keldysh per camps elèctrics estàtics ha estat conegut i ben entès per diversos anys, la seva contrapart dinàmica per als camps extremadament rapits i oscil·lants, no s'havia observat fins ara.

Font: PHYSorg

Càrregues elèctriques en moviment

Si toques l'extrem d'una cadena metàl·lica amb un objecte carregat, tota la cadena es carrega. L'explicació és òbvia: les càrregues es mouen per la cadena i es distribueixen per ella. 
Les càrregues elèctriques es mouen fàcilment per alguns materials, anomenats conductors. Els conductors metàl·lics van ser els més usats pels primers experimentadors, però les dissolucions de sals i els gasos calents també condueixen les càrregues fàcilment. Altres materials, com el vidre i les fibres seques no condueixen les càrregues pràcticament gens; aquest tipus de materials es coneixen com no conductors o aïllants.

L'aire sec és un aïllant bastant bo a diferència de l'aire humit; és per això que alguns experiments d'electrostàtica no acaben de sortir bé en dies de molta humitat. Però si la càrrega és prou gran, fins i tot l'aire sec pot convertir-se de sobte en conductor, permetent que una gran quantitat de càrrega es desplaci a través d'ell. La calor i la llum que causa aquest brusc desplaçament de càrrega produeix el que coneixem com "espurna". Les espurnes van ser la primera prova directa que les càrregues es mouen.

Fins a finals del segle XVIII només es podia aconseguir un flux significatiu de càrrega, és a dir, un corrent elèctric, descarregant un objecte amb molta càrrega. En estudiar els corrents elèctrics produïts d'aquesta manera, Benjamin Franklin assumia que les càrregues en moviment eren positives. Per això va definir el sentit del flux d'un corrent elèctric com el sentit del flux de les càrregues positives. Avui sabem que les càrregues que es mouen en un corrent poden ser positives, negatives o d'ambdós tipus. En la majoria dels cables i circuits elèctrics les càrregues en moviment són electrons negatius. No obstant això, des dels primers treballs de Franklin, el sentit del flux d'un corrent elèctric es defineix com la direcció del flux de les càrregues positives, independentment del signe que, de fet, tinguin les càrregues en moviment. Aquesta convenció és acceptable perquè el flux de càrregues negatives en una direcció és equivalent des del punt de vista elèctric al flux de càrregues positives en l'altre sentit.

Pila de volta

Al 1800 Alessandro Volta va descobrir una forma molt millor de produir corrents elèctriques que utilitzar dispositius amb càrregues que duraven poc. El mètode de Volta partia de dos metalls diferents, cadascun manejat amb un aïllant. Quan es posaven en contacte i a continuació es separaven, un metall prenia una càrrega positiva i l'altra negativa. Volta va raonar que es podria produir una càrrega molt més gran apilant diverses peces dels metalls en capes alternes. Aquesta idea el va portar a realitzar una sèrie d'experiments que van produir un resultat meravellós, tal com ho explicava en una carta enviada a la Royal Society de Londres al març de 1800: Sí! L'aparell del que parlo, i que sens dubte els sorprendrà, és només el muntatge d'un nombre de bons conductors de diferents classes disposats de manera determinada. 30, 40, 60 peces o més de coure, o encara millor de plata, cadascuna d'elles en contacte amb una peça d'estany o, el que és molt millor, de zinc, i un nombre igual de capes d'aigua o d'algun un altre líquid que és un millor conductor que l'aigua pura, com l'aigua salada o el lleixiu i altres, o peces de cartró o de pell, etc., amarades en aquests líquids."

Volta va apilar verticalment aquestes peces de metall en parelles, anomenades "cel·les", formant una "pila". Volta va demostrar que un extrem, o punt "terminal" de la pila, estava carregat positivament i que l'altre ho estava negativament. Unió llavors cables al primer i a l'últim disc del dispositiu, que el va anomenar "bateria" (terme usat en primer lloc per Benjamin Franklin el 1748 per descriure els dispositius que produïen espurnes a semblança d'una peça d'artilleria). A través d'aquests cables va obtenir electricitat amb exactament els mateixos efectes que produïa l'electricitat obtinguda en fregar ambre, o per fricció en les màquines electrostàtiques.

Però el més important de tot el presentat per Volta és que si unia els extrems dels cables connectats als terminals de la seva pila, o tocava amb ells un objecte conductor a la vegada, la bateria produïa un corrent elèctric més o menys continu als cables durant un llarg període de temps. Aquesta disposició d'elements és el que avui dia anomenem circuit. El corrent que flueix a través dels cables del circuit des del costat positiu de la bateria al negatiu (per la definició que vam donar abans) es diu corrent directe o contínua. Un corrent que alterna el sentit del flux es diu corrent altern.

A més de totes aquestes noves possibilitats la diferència amb els vells dispositius de càrrega és que la pila de Volta no havia de carregar-se externament després de cada ús. Ara les propietats dels corrents elèctrics com les de les càrregues elèctriques estàtiques poden estudiar-se de forma controlada. La pila de Volta pot considerar-se el primer de la sèrie d'invents elèctrics que van canviar la civilització.

Font: Cultura científica

Aconsegueixen detectar un nou estat de la matèria

Un equip internacional d'investigadors acaba de trobar proves concretes d'un nou i misteriós estat de la matèria, predit per la teoria fa ja quatre dècades, però que fins ara no havia estat detectat en cap material real. Aquest estat, conegut com líquid de spin quàntic, causa que els electrons, considerats com un dels maons indivisibles de la matèria, es trenquin a trossos.

Els científics, entre els quals s'inclou un equip de físics de la Universitat de Cambridge, han aconseguit mesurar per primera vegada la "signatura" d'aquestes partícules fraccionades, conegudes com els fermions de Majorana, a l'interior d'un material bidimensional que té una estructura semblant a la del grafè. Els resultats experimentals coincideixen plenament amb els models teòrics del líquid de spin quàntic descrits en el model Kitaev, i ho van publicar fa pocs mesos a Nature Materials. Fins ara, es pensava que aquest misteriós nou estat de la matèria s'amagava a l'interior de certs materials magnètics, però ningú havia aconseguit detectar-lo a la natura.

Per això, l'observació directa d'una de les seves propietats més intrigants (el fraccionament d'electrons) en un material real constitueix tota una fita per a la Física. Els fermions de Majorana resultants del trencament dels electrons es podrien utilitzar com a base per a futurs ordinadors quàntics, moltíssim més potents i ràpids que qualsevol ordinador convencional i que seran capaços de dur a terme càlculs que resulten impossibles d'abordar amb la tecnologia actual.

"Estem davant d'un nou estat quàntic de la matèria que havia estat predit però que mai havia estat observat amb anterioritat", afirma Johannes Knolle, un dels autors de l'estudi. En un típic material magnètic, cada electró es comporta com si fos un petit imant. I quan el material que conté aquests electrons es refreda prou, aquests diminuts imants es reordenen espontàniament, de manera que, per exemple, tots els pols nords magnètics apunten en la mateixa direcció.

Però en un material el qual es de l'estat líquid de spin les coses funcionen de manera molt diferent. De fet, i encara que es refredi aquest material fins al zero absolut (-273 graus centígrads), els imams no s'alineen, sinó que formen una mena de sopa quàntica de partícules entrellaçades que segueix el ritme de les fluctuacions quàntiques.

"Fins fa poc temps ni tan sols sabíem quines serien les empremtes que hauríem de buscar per detectar un estat líquid de spin quàntic", explica Dmitry Kovrizhin, un altre dels autors del treball  i continua "Per això, el que vam fer en treballs anteriors va ser precisament preguntar-nos què és el que hauríem d'observar si estiguéssim duent a terme experiments sobre un possible líquid de spin quàntic".
Per dur a terme els seus experiments, Knolle i Kovrizhin van utilitzar tècniques de dispersió de neutrons per tractar d'obtenir evidències experimentals de fraccionament d'electrons en cristalls de clorur de ruteni (RuCl3). Els científics van sotmetre a prova les propietats magnètiques dels vidres il·luminant amb neutrons, i observant després els patrons de les ondulacions magnètiques que els neutrons dibuixaven sobre una pantalla.

Un imant corrent crearia diferents punts de tall, però era un misteri saber quin tipus de patró adoptarien els fermions de Majorana en un estat de líquid de spin quàntic. I va resultar que les prediccions teòriques sobre la forma que tindrien aquestes signatures, dutes a terme al 2014 pel mateix Knolle i els seus col·laboradors, van coincidir amb el que els investigadors van observar en pantalla després els seus experiments. Es tractava de la primera evidència directa d'un estat líquid de spin quàntic i de fraccionament d'electrons en un material bidimensional obtingut per la Física.

"Hem aconseguit afegir-ne un a la curta llista d'estats quàntics de la matèria. Es tracta d'un pas important per comprendre les seves propietats quàntiques. I resulta divertit tenir un nou estat quàntic que mai ningú havia vist abans, perquè ens obre possibilitats de provar coses noves", explica Knolle.


Font: ABC

Comptant electrons amb una precisió sense precedents

Científics del Laboratori Nacional de Física (NPL) han demostrat la capacitat de detectar la presència o absència d'electrons individuals amb una precisió sense precedents.
La tècnica, desenvolupada pel Doctor Stephen Giblin i els investigadors del Grup de Detecció Quàntica i la Universitat de Cambridge, és capaç d'explicar el nombre d'electrons atrapats en una bomba d'electrons -una petita regió d'un dispositiu semiconductor dissenyat especialment- amb una fidelitat d'un part per milió. La sensibilitat de la tècnica de recompte es descriu en un article publicat a Applied Physics Letters i ha permès als investigadors detectar errors rars en què el nombre incorrecte d'electrons es carreguen a la bomba.

Un nou soci per a l'ampere
Les bombes d'electrons són dispositius a nanoescala que poden atrapar i manipular els electrons individuals -els portadors de càrrega elèctrica. En conduir aquests electrons al voltant d'un circuit, podem utilitzar bombes d'electrons per generar un corrent molt precís, el que podria ser la base d'una nova definició de l'ampere -la unitat bàsica del SI de corrent elèctric. En l'actualitat, la definició de l'ampere en termes de dos conductors infinitament llargs fa que sigui difícil de realitzar en la pràctica, i diversos instituts nacionals de mesurament, incloent NPL, estan desenvolupant bombes d'electrons per al seu ús com el nou patró primari del corrent elèctric

El Grup de Detecció Quàntica al NPL ha estat un actor principal en aquest camp, ja que la seva manifestació fita al 2012 d'una bomba capaç de conduir un electró cada nanosegon (un bilió d'electrons per segon) amb una precisió d'una part per milió. No obstant això fonamentalment, aquest experiment i els experiments de seguiment a altres laboratoris, es va basar en la comparació del corrent de la bomba d'electrons amb un estàndard de corrent convencional. La seva precisió, mentre que impressionant, estava limitada per l'exactitud de la norma de corrent convencional, no la pròpia bomba.
Per estar absolutament segur de l'exactitud -un requisit previ a la introducció de qualsevol nova norma primària- l'equip del doctor Giblin es va proposar investigar la bomba de forma independent de les normes actuals existents, comptant el nombre d'electrons que es carreguen en cada cicle del seu funcionament.

Un milió d'electrons i comptant
Anteriors tècniques de comptatge d'electrons han intentat mesurar el nombre d'electrons que surten de la bomba. En aquests experiments, els electrons es dispersen sobre una àrea relativament gran, i això compromet la sensibilitat de la detecció.

Per contra, l'equip d'investigadors del Grup de Detecció Quàntica i la Universitat de Cambridge van utilitzar un detector de càrrega nanoescala anomenat punt de contacte quàntic per mesurar directament el nombre d'electrons a l'interior de la bomba. Aquí, els electrons estan confinats en una àrea petita, un cercle d'aproximadament 250 nanòmetres de diàmetre, i la seva càrrega és més fàcil de detectar. Després d'idear un mètode per cancel·lar la major part del soroll intrínsec a tots els dispositius electrònics, l'equip ara tenia la capacitat per explicar els electrons a l'interior de la bomba amb una fidelitat s'està acostant a una part en un milió.
L'experiment va produir immediatament noves idees -per exemple, quan l'equip va intentar carregar un electró a la bomba un milió de vegades, aquest no es va poder carregar 28 vegades- un tipus comú d'error a causa d'un procés anomenat back-tunnel. No obstant això, hi va haver cinc casos en què la bomba va carregar dos electrons.

"Anteriorment, només es van poder mesurar el corrent mitjà, ara sí que podem veure quants electrons hi són amb un nivell molt alt de confiança", va dir el Doctor Giblin.
L'equip també sintonitza la bomba per tractar la càrrega de dos electrons un milió de vegades, i s'observa només un error (quan la bomba de càrrega d'un electró) -això marca un factor 100 de millora sobre el millor resultat anterior.


Font: PHYSORG

La plasmònica

Els científics tenen grans esperances que l'emergent camp de la plasmònica pugui millorar tecnologies com la fotovoltaica, els LED i altres components que utilitzen l'optoelectrònica. És un pas natural: La plasmonica sorgeix a partir de les oscil·lacions en la densitat d'electrons que es generen quan els fotons colpegen una superfície metàl·lica.

No obstant això, s'ha estudiat poc. De fet, els científics han estudiat el fenomen només en nanoestructures metàl·liques aïllades sense la capa d'adherència del metall, on les nanoestructures s'enganxen a un substrat metàl·lic.

Ara, els investigadors de la Universitat de Rice han ampliat el conneixement de la plasmònica més enllà de la pròpia nanoestructura i per sota del substrat metàl·lic. S'espera que la major capacitat per caracteritzar i manipular la plasmònica permeti fer dispositius amb alternatives viables pels dispositius optoelectrònics altament complexos com són els oscil·ladors, que es basen en la optoquímida entre un parell fotons en ressonadors mecànics i s'utilitzen en aplicacions de comunicacions sense fils.

En aquest moment, no s'està tractant de reemplaçar els oscil·ladors optomecànics convencionals per dispositius plasmònics perquè l'oscil·lador optomecànic requereix d'alta qualitat extra, mentre que l'estructura plasmònica disponible en l'actualitat només té un factor de qualitat decent. No obstant això, l'avantatge d'usar les nanoestructures plasmòniques és que és una excel·lent antena perquè un parell dels fotons treballin com l'oscil·lador mecànic de forma eficient. Aquesta propietat, pot simplificar el disseny de l'oscil·lador optomecánic.

En una investigació publicada a la revista Nature Communications, l'equip va ser capaç d'avançar en aquest objectiu a llarg termini mitjançant l'establiment d'una relació entre els fonons acústics i plasmons. Els plasmons són les ones d'electrons que es mouen al llarg de la superfície d'un metall després d'haver estat colpejat per fotons. I els fonons acústics són les vibracions del propi metall després de ser colpejat pels fotons.

Tots dos, fonons i plasmons tenen freqüències diferents en funció del tipus de llum que els ha generat. L'equip va trobar que podien fer una connexió directa entre les freqüències de ressonància de plasmons i els fonons mitjançant l'ús de llum làser.
En els seus experiments, la llum làser és dirigida gràcies a l'or amb nanodiscs fent que vibrin. La vibració dels nanodiscs i gràcies als fonons, podrien ser sintonitzats canviant el gruix del material a la qual s'adjunta les nanodiscs d'or.

Els plasmons d'un nanodisc d'or és una oscil·lació col·lectiva dels electrons de la banda de conducció, de manera que il·luminant els nanodiscs amb pols curt de llum, llança de forma impulsiva els fonons acústics. La vibració acústica del nanodisc sorgeix de l'energia del fotó absorbit pel plasmó de superfície, i després es transfereix a la xarxa. Més fonons corresponen a vibracions energètiques més grans d'àtoms dins de la nanoestructura d'or.
Es creu que aquest treball podria aplanar el camí per a futures estructures plasmòniques que són molt més simples que els dispositius optoelectrònics actuals.
La nanoestructura plasmònica pot actuar com a antena i oscil·lador mecànic i no requereix d'un disseny complicat. De fet, pot ser molt simple. A més, la mida de les estructures de plasmons pot ser de baixa escala nanomètrica per minimitzar la mida del dispositiu.



Font: IEEE spectrum

La llum revela l'espín dels electrons

La espintrònica -en la qual l'espín dels electrons s'utilitza per codificar la informació en lloc de càrrega- és la tecnologia fonamental per els lectors de lectura en els discos durs dels nostres ordinadors i és el focus d'una àmplia investigació en la creació dels dispositius de lògica basat en el spin dels electrons que podria conduir a la computació quàntica.

Si bé hi ha hagut algunes investigacions recents en què els camps elèctrics s'utilitzen per manipular el spin dels electrons , la forma predominant de llegir l'espín d'un electró és utilitzar camps magnètics extremadament potents.

Ara els investigadors del Centre de Nanotecnologia de Londres (LCN) han deixat de banda els dos camps magnètics i elèctrics, i han demostrat que és possible llegir l'espín d'un electró amb un làser .

En una investigació publicada a la revista Nature Materials , l'equip LCN va ser capaç d'adaptar la tècnica coneguda com "tunneling spin-depenent" usant un làser (en lloc d'un imant juntament amb temperatures extremadament baixes) per tirar d'un electró lluny del seu àtom.

Aquesta tècnica de tunelització spin-dependent depèn de dopatge una hòstia de silici amb àtoms de fòsfor. El fòsfor crea un electró extra en l'hòstia, el que fa possible destacar i llegir el seu gir l'ús d'imants, o ara com l'equip LCN va mostrar, els làsers.

Els investigadors van descobrir que LCN un làser contra la base de silici amb les impureses de fòsfor, crea una cosa anomenada "bound excitons", que són, bàsicament, els electrons energitzats units a la càrrega positiva (forats) que es formen quan la llum colpeja un semiconductor. En aquest cas, els excitons lligats romanen en el lloc de la impuresa de fòsfor i quan l'electró i el forat combinen alliberen prou energia per empènyer l'electró extra fora dels àtoms de fòsfor.

Mentre que l'expulsió de l'electró extra no és en si suficient per mesurar l'espín de l'electró, sí crea un petit corrent elèctric que permet als investigadors a determinar espín de l'electró.

A causa que aquesta tècnica fa possible llegir l'espín dels electrons sense camps magnètics, el gir es pot mesurar en entorns on als camps magnètics puguin suposar un problema.

Font: IEEE Spectrum