Els investigadors utilitzen fotons per separar ions metàl·lics

Un equip de recerca de la Florida State University està utilitzant una font d'energia simple i fàcilment disponible per separar els ions metàl·lics, un procés que podria ajudar a purificar l'aigua o fins i tot a reciclar els residus nuclears.

La font? Llum
El professor assistent de Química i Bioquímica, Kenneth Hanson i l'investigador postdoctoral, Sahan Salpage, esbossen la seva estratègia en un nou article publicat a Chemical Communications.
"Sóc fotoquímic, de manera que la llum és la meva solució per a tots els problemes", va dir Hanson. "Pensàvem que podíem utilitzar la llum per separar coses que són difícils de purificar per altres mitjans".
Hanson col·labora amb el professor de Química Thomas Albrecht-Schmitt, que dirigeix ​​el Centre de Ciència i Tecnologia Actinida, un Centre de Recerca de Fronteres d'Energia del Departament d'Energia. La missió del centre és desenvolupar tecnologies que ajudin a accelerar la neteja de residus nuclears a partir de llocs de producció d'armes de la Guerra Freda o reactors nuclears, per exemple.

Aquesta nova investigació és una peça d'aquest trencaclosques.

Hanson i Salpage van començar a estudiar la manera en què la llum podria jugar un paper en la separació dels ions metàl·lics. Els ions metàl·lics inclouen alguns dels elements químics més coneguts com el potassi, el calci i el ferro. També inclouen els elements més pesats i radioactius com americium i curium.
La separació d'aquests elements pot ser un procés difícil i costós. Però és un pas important en el processament i reciclatge de materials radioactius o purificant l'aigua que té contaminacions de metalls pesants com el plom.
L'equip es va sentir confiat que la llum podria fer que aquest procés de separació sigui més fàcil, més ecològic i més econòmic.
Hanson i Salpage van començar a experimentar amb ions de ferro i ruteni envoltats amb un agent quelant orgànic que s'uneix al metall. Quan es van sotmetre els compostos a colors específics de blau clar per a ruteni i vermell per a ferro-electrons del metall es van transferir a l'entorn orgànic, canviant les seves propietats. Les seves diferències en les propietats es podrien utilitzar per separar els ions metàl·lics.

Per a aquest estudi, Hanson i Salpage es van centrar en els compostos de ferro i ruteni perquè poguessin desenvolupar i perfeccionar la tècnica. En el futur, l'objectiu final és separar els compostos radioactius que inclouen elements més pesats com l'americium i el curium.
"Aquesta és una nova estratègia", va dir Salpage. "Podria obrir una nova àrea de separació de la química. Hi ha moltes possibilitats perquè això creixi i s'expandeixi".

Font: Florida State University

Físics del MIT han creat una nova i estranya forma de llum amb tres fotons

Un grup de físics del MIT han aconseguit una fita històrica en forçar a tres fotons a interactuar entre ells d'una manera que, en teoria, no hauria de ser possible. El resultat ha donat una nova forma estranya de llum molecular.

Els investigadors expliquen que les partícules sense massa que componen l'espectre electromagnètic no tenen molt a veure les unes amb les altres. Sovint els científics aixafen àtoms en acceleradors gegants i busquen noves físiques resultants. Amb els fotons passa una cosa semblant.
L'any 2013, fa cinc anys, un grup de físics va aconseguir la primícia mundial en forçar un parell de fotons a interactuar entre ells. Segons va explicar llavors el físic de Harvard, Mikhail Lukin:
"El que hem fet és crear un tipus especial de mitjà en el qual els fotons interactuen entre si tan fortament que comencen a actuar com si tinguessin massa, i s'uneixen per formar molècules".
Per a això, van passar un làser feble que consistia en uns pocs fotons a través d'un núvol d'àtoms de rubidi ultra fred. En passar d'un àtom a un altre, la llum lliurava part de la seva energia. No obstant això, succeeix una cosa estranya quan un fotó proper intenta fer el mateix. És el que s'anomena  bloqueig de Rydberg, on les partícules veïnes no es poden agitar en el mateix grau.

Imatge: Science

Per tant, quan un fotó agita un àtom, un fotó proper amb les mateixes propietats no pot fer que un altre àtom comparteixi el mateix nivell d'agitació. Llavors, es queda formant un híbrid de llum atòmica anomenat polaritó.
Com a resultat, hi ha un estira i arronsa de polaritons a mesura que els fotons s'obren pas lentament a través del núvol de rubidi. I en sortir de l'altre costat, acaben units. Bé, el mateix equip de físics ara ha utilitzat la mateixa configuració per determinar si aquesta associació especial també podria ser una tríada, llançant un tercer fotó a la mescla.

El resultat? Els tres fotons interactuant van formar un tipus completament nou de matèria fotònica. Van descobrir que els fotons fluïen com parells i trigèmins, en comptes de sortir del núvol a intervals aleatoris, com fotons aïllats que no tenen res a veure entre sí.
Els científics han estat ocupats en els últims anys controlant la velocitat de la llum en el buit, provocant noves configuracions per obtenir tot tipus de propietats estranyes. El nou treball posa les bases per a tecnologies que podrien usar fotons que poden enredar, codificar i enviar-se a llargues distàncies a altes velocitats amb més informació.

Font: Science via Motherboard

Aconsegueixen la primera imatge d'una partícula de llum

Un equip d'investigadors polonesos ha aconseguit crear, per primera vegada en la història, l'holograma d'una partícula individual de llum.

Un raig de sol entra per la finestra i il·lumina l'habitació. A primera vista no sembla una cosa extraordinària, però la mecànica quàntica ens diu que aquest raig lluminós està format per trilions i trilions de petits «paquets de llum» individuals, els fotons, movent-se a 300.000 quilòmetres per segon. No obstant això, ningú ha aconseguit veure un fotó individual, ni saber quina forma té, si és que en té alguna. És més, podria ser que ni tan sols tingui sentit formular aquestes preguntes.
Ara, un equip d'investigadors polonesos ha aconseguit crear, per primera vegada en la història de la Ciència, l'holograma d'una partícula individual de llum. La fita, aconseguida gràcies a l'observació de les interferències que es produeixen quan dos raigs de llum es creuen, constitueix un important avanç cap a la comprensió de la naturalesa íntima de la llum. Els resultats d'aquest treball, a més, podrien ser importants per al desenvolupament de tecnologies que necessitin comprendre quina forma té un fotó, com succeeix amb les telecomunicacions i els ordinadors quàntics.

"Portem a terme un experiment relativament simple per mesurar i poder veure alguna cosa que és increïblement difícil d'observar", explica Radoslaw Chrapkiewicz, físic de la Universitat de Varsòvia i investigador principal de l'estudi que s'acaba de publicar a Nature Photonics.
Des de fa centenars d'anys, els físics han treballat molt dur per intentar comprendre de què està feta la llum. I al segle XIX el debat va semblar quedar tancat gràcies a James Clerk Maxwell, que va descriure la llum com una ona electromagnètica. Però les coses, en realitat, són bastant més complicades i, a principis del segle XX el físic alemany Max Planck, que aleshores era company del seu compatriota Albert Einstein, va demostrar que la llum estava feta de petits paquets invisibles als quals va anomenar fotons.

Anys més tard, en la dècada de 1920, el físic austríac Erwin Schroedinger va refinar aquestes idees en la seva famosa equació de funció d'ona quàntica, capaç de predir amb extraordinària precisió els resultats d'experiments amb fotons. Un èxit però, que no ha evitat que els físics segueixin preguntant-se sobre el veritable significat i naturalesa d'aquesta funció d'ona. Ara, i per primera vegada, els investigadors de la Universitat de Varsòvia han aconseguit representar i mesurar les formes descrites per l'equació de Schroedinger en un experiment real.
Els fotons, al desplaçar-se com ones, poden estar en la mateixa fase. Però si interactuen, produeixen un senyal brillant. Si, per contra, les seves fases s'oposen, llavors s'anul·laran els uns als altres. És una cosa semblant al que succeeix amb les ones sonores emeses per dos altaveus i que produeixen pics de so aguts i greus en una habitació.
La imatge obtinguda pels científics, anomenada holograma perquè porta informació tant de la forma com de la fase d'ona del fotó, va ser creada disparant al mateix temps dos rajos de llum cap a un divisor de feix (un instrument òptic que divideix un raig lluminós en dos). El divisor de feix es comporta com si fos un encreuament de carreteres, una intersecció que cada fotó pot envoltar o creuar directament, la qual cosa depèn de la forma de les seves funcions d'ona.
Per a cada fotó individual, qualsevol de les dues possibles trajectòries és igualment probable. Però quant dos fotons diferents s'aproximen a la vegada a la intersecció, tots dos interactuen i el resultat varia completament. D'aquesta manera, l'equip es va adonar que si conegués la funció d'ona d'un dels dos fotons, seria fàcil esbrinar la forma de la segona a partir de les posicions dels centelleigs que es van produint en el detector. Seria com disparar dues bales una contra l'altra i utilitzar després les seves trajectòries desviades per la col·lisió per esbrinar la forma de cada projectil.

Cada nova ronda de l'experiment produïa dues llampades en el detector, un per a cada fotó. I després de més de 2.000 repeticions, va començar a aparèixer un patró en aquests centelleigs, gràcies al qual els investigadors van poder reconstruir la funció d'ona del segon fotó.
La forma de la imatge resultant s'assembla a una creu de Malta, i és exactament la que prediu l'equació de funció d'ona de Schroedinger. En els braços de la creu, on els fotons estan en fase, la imatge és més brillant, mentre que les zones en què les fases s'oposen apareixen més fosques.
Per Michal Jachura, coautor de l'estudi, l'experiment "ens porta a estar un pas més a prop de comprendre què és realment una funció d'ona", i podria constituir una nova eina per estudiar les interaccions entre fotons, de summa utilitat a l'hora de desenvolupar tecnologies com les telecomunicacions o la computació quàntiques.
Ara, els investigadors tractaran de fer un pas més i recrear funcions d'ona d'objectes quàntics més complexos, com ara, àtoms complets. "Pot ser que les aplicacions reals de la holografia quàntica triguin dècades a aparèixer", conclou Konrad Banaszek, un altre dels membres de l'equip. "Però si hi ha alguna cosa del que podem estar segurs és que seran sorprenents".

Font: ABC

Internet quàntica

Igual que ara es connecten els ordinadors a xarxes amb senyals de fibra òptica, també serà possible connectar futurs ordinadors quàntics a una Internet quàntica. Els senyals òptics consistiran llavors en partícules de llum o fotons individuals.
Un requisit previ per a una Internet quàntica és el control de la forma d'aquests fotons. Investigadors de la Universitat Tecnològica d'Eindhoven i la fundació FOM han aconseguit per primera vegada aquest control en el termini curt requerit. Aquests resultats es publiquen a Nature Communications.

Els ordinadors quàntics són els ordinadors de somni del futur. Utilitzen la física única de les partícules més petites -descrites per la mecànica quàntica- per realitzar càlculs. Mentre els ordinadors actuals utilitzen els bits, que poden ser 0 o 1, els ordinadors quàntics realitzaran càlculs amb els qubits, que poden ser tant 0 com 1 al mateix temps. Això crea un grau sense precedents de potència de càlcul addicional, que dóna als ordinadors quàntics capacitats molt més grans.

Els ordinadors quàntics podrien comunicar-se en principi entre sí mitjançant l'intercanvi de fotons individuals per crear una Internet quàntica. La forma dels fotons, és a dir, com la seva energia es distribueix a través del temps, és vital per a la transmissió reeixida de la informació. Aquesta forma ha de ser simètrica en el temps, mentre que els fotons que són emesos pels àtoms normalment tenen una forma assimètrica. Per tant, aquest procés requereix control extern amb la finalitat de crear una Internet quàntica.

Forma i velocitat
Els investigadors de la Universitat d'Eindhoven han tingut èxit en aconseguir el grau requerit de control mitjançant la incorporació d'un punt quàntic (una peça de material semiconductor que pot transmetre fotons) en un cristall fotònic, creant així una cavitat òptica. A continuació, els investigadors van aplicar un impuls elèctric molt curt a la cavitat, que influeix en com el punt quàntic interactua amb la mateixa, i com s'emet el fotó. Mitjançant la variació de la força d'aquest pols, van ser capaços de controlar la forma dels fotons transmesos.

Els investigadors d'Eindhoven han estat els primers a aconseguir-ho gràcies a la utilització de polsos elèctrics d'un nanosegon, una milmilionèsima part d'un segon. Això és vital per al seu ús en la comunicació quàntica. Andrea Fiore, responsable de l'estudi, explica que: "Mitjançant el control de la velocitat a la qual s'envia un fotó, es pot aconseguir un principi d'intercanvi molt eficient de fotons, que és important per a la futura Internet quàntica".


Font: CienciaPlus