sábado, 19 de junio de 2010

Miden una Corriente Eléctrica Perpetua

Unos físicos de la Universidad Yale han hecho las primeras mediciones definitivas de la “corriente persistente”, una corriente eléctrica pequeña pero perpetua que fluye de forma natural a través de anillos diminutos de cable metálico incluso sin una fuente de energía externa.

El equipo usó un método nuevo, basado en dispositivos de tamaño nanométrico y forma comparable a la de un puente levadizo o un trampolín de piscina, para medir indirectamente la corriente a través de los cambios en la fuerza magnética que se producen cuando la corriente eléctrica fluye a través del anillo.

El jefe del equipo es Jack Harris, profesor de física y de física aplicada de la Universidad Yale.

La existencia de esta corriente perpetua en un cable conectado a sí mismo y sin fuente de alimentación externa puede parecer que vulnera las leyes de la física. Sin embargo, es el resultado de un efecto de la mecánica cuántica que influye en cómo los electrones viajan a través de los metales, y proviene del mismo tipo de movimiento que permite a los electrones dentro de un átomo orbitar en torno al núcleo para siempre.

Aunque la corriente persistente fue propuesta desde el ámbito teórico hace décadas, es tan débil y sensible a su entorno que ningún físico fue capaz de medirla con precisión ahora hasta.

En experimentos anteriores en los que se intentó medir indirectamente la corriente persistente por medio del campo magnético que ésta produce (cualquier corriente que circule a través de un cable metálico produce un campo magnético), se usaron magnetómetros sumamente sensibles pero los resultados eran incoherentes e incluso contradictorios.

Los autores de la nueva investigación usaron dispositivos nanométricos con forma de trampolín para detectar los cambios en el campo magnético producidos cuando la dirección de la corriente cambiaba en los anillos de aluminio. Este nuevo instrumental permitió al equipo hacer mediciones un orden de magnitud más precisas que cualquiera de las efectuadas antes. Los investigadores también midieron la corriente persistente en una gama más amplia de temperatura, de tamaño de anillo y de campo magnético que en los experimentos anteriores.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/021209c.html
Tirso Ramírez
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Atracción de Líquidos a Escala Microscópica

Cuando una máquina se atasca, la culpa puede ser de la ingeniería o de la física. Lo último es cierto por lo menos para las primeras nanomáquinas simples, que son frenadas por el efecto Casimir. Esta fuerza no opera a mayor escala que la de las millonésimas de centímetro, y hace que piezas diminutas de las máquinas se adhieran entre sí. Científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de los Metales y la Universidad de Stuttgart han observado una fuerza similar en una mezcla de dos líquidos.

Los autores del estudio también han encontrado una forma de invertir el efecto de esta fuerza, por lo que quizá podrían evitarse los atascos en las nanomáquinas del futuro. Esto haría posible avanzar más en la miniaturización, y conseguir fabricar sensores o interruptores mecánicos de tamaño nanométrico.

Nada viene de la nada. Sólo en la física esto no siempre es cierto. Por ejemplo, dos placas de metal colocadas a la distancia de medio micrómetro en el vacío y a la temperatura del cero absoluto ejercen una atracción misteriosa entre ellas. La fuerza que atrae las placas entre sí proviene de las fluctuaciones de la mecánica cuántica del vacío, así que podemos decir, al menos hasta cierto punto, que viene de la nada.

El físico Hendrik Casimir predijo este efecto ya en 1948; hoy es la razón por la cual los componentes en las nanomáquinas se adhieren entre sí.

Clemens Bechinger, Christopher Hertlein y otros investigadores han observado ahora una fuerza similar en experimentos con una mezcla de agua y el líquido aceitoso lutidina: la fuerza de Casimir crítica. Esta fuerza es tan débil que es muy difícil de detectar. No obstante, los resultados concuerdan muy bien con los valores que Siegfried Dietrich, director del Instituto Max Planck para la Investigación de los Metales en Stuttgart, y su equipo, habían predicho teóricamente.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/220208a.html
Tirso Ramírez
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La Propulsión y la Navegación de los Atomos

De modo parecido a cómo se logra que una nave espacial navegue a través del sistema solar por medio de la gravedad y de breves encendidos de los motores de propulsión, los científicos pueden guiar átomos, moléculas y hasta reacciones químicas, utilizando para el papel que en astronáutica tiene la gravedad, a las fuerzas que unen a los núcleos y los electrones en las moléculas, y usando para la propulsión a la luz. Sin embargo, conocer la cantidad mínima de luz requerida y cómo cambia esa cantidad con la complejidad de la molécula, había sido un problema, hasta ahora.


En una nueva investigación, mediante la creación de una analogía en la mecánica cuántica de la Conjetura de Ulam, Martin Gruebele, profesor de Química y director del Centro para la Biofísica y la Biología Computacional de la Universidad de Illinois, y Peter Wolynes, profesor de Química y Bioquímica de la Universidad de California, han ampliado la flexibilidad de los sistemas de mecánica cuántica y la capacidad de control sobre estos.

Al emplear fotones, es posible aprovecharse selectivamente del movimiento caótico para así controlar las reacciones químicas y el movimiento de objetos cuánticos, como nanoagrupaciones, moléculas y buckybolas.

Si se da tiempo suficiente, el movimiento caótico clásico conectará espontáneamente dos puntos del espacio de fases con precisión arbitraria.

La conjetura de Ulam, llamada así por el trabajo del matemático Stanislaw Ulam realizado en 1956, se emplea ahora rutinariamente para guiar las naves espaciales por el sistema solar con el mínimo gasto de energía.

La idea es que un sistema complejo como nuestro sistema solar tiene muchos planetas, lunas y asteroides que pueden lanzar a la nave espacial por medio de la gravedad hacia donde se desee. En lugar de impulsar un cohete con una fuerza bruta en una ruta directa hacia el objetivo, se puede impulsar la nave espacial hacia las cercanías de alguna luna y permitir que ella haga la mayor parte del trabajo.

Empleando los fotones como fuente de energía, los electrones dentro de las moléculas pueden moverse de modo similar a como lo hace una nave espacial en el sistema solar. Pero hay un problema: debe usarse la mecánica cuántica y no la dinámica newtoniana para describir los movimientos. En la mecánica cuántica el sistema se describe por medio de una función de onda o un estado cuántico.

En su analogía en la mecánica cuántica de la conjetura de Ulam, Gruebele y Wolynes demuestran que hay límites en cuán eficientemente una fuerza externa puede llevar un sistema desde un estado inicial dado hasta el estado escogido como destino. Ellos utilizan el concepto de "espacio de estados" para describir todos los posibles estados cuánticos del sistema.

Los investigadores pueden calcular hacia dónde irá con más probabilidad este estado inicial, y de dónde vendrá con más probabilidad el estado elegido como destino. Entonces pueden identificar los lugares en el espacio de estados donde ambos se encuentren más cercanos entre sí.

Esas ubicaciones son aquellas donde la energía se aplica más eficientemente para realizar la transformación cuántica deseada desde el estado inicial al estado elegido como destino. Las ecuaciones de los investigadores también establecen cuántos fotones se necesitan y los límites fundamentales del tiempo requerido.

Los investigadores pueden esperar el mejor momento posible para utilizar la menor cantidad de energía. Han creado un método rápido y exacto para calcular la forma más eficiente de guiar un sistema cuántico entre dos estados especificados.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/180907c.html
Tirso Ramírez
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Dan un Paso de Gigante Hacia la Comprensión de los Núcleos Atómicos Exóticos

Desarrollar la capacidad para predecir cómo funcionan todos los núcleos atómicos es importante para avanzar en el conocimiento del universo. El inmenso panorama nuclear, que se cree consta de unos 6.000 isótopos, no tiene un mapa bien trazado, y la mitad de los núcleos siguen siendo desconocidos.

Sólo aproximadamente 300 isótopos son estables y existen en el mundo que nos rodea. Hemos aprendido mucho sobre los núcleos estables, pero los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne están desarrollando técnicas para desvelar los secretos de algunos de los más inestables y exóticos.

Si bien los isótopos exóticos normalmente no están presentes en la Tierra, algunos de ellos son de importancia crítica en el funcionamiento de las estrellas, sobre todo en el proceso productor de elementos o nucleosíntesis.

Darek Seweryniak y sus colegas de la División de Física del Laboratorio Nacional de Argonne, en colaboración con científicos de las universidades de Maryland, Notre Dame y Edimburgo, han centrado su atención en un nuevo isótopo del estaño, el estaño-100, uno de los muy raros núcleos "doblemente mágicos". Esta designación se refiere a los casos especiales donde tanto los protones como los neutrones llenan sus capas cuánticas, por lo que se logra la superestabilidad.

Las propiedades de los núcleos estables doblemente mágicos como el oxígeno-16, el calcio-40 y el plomo-208 son bien conocidas, pero el desafío consiste en determinar hasta qué punto los modelos actuales pueden ser extrapolados para describir núcleos situados lejos de la línea de estabilidad, en este caso, cerca de la línea donde termina la existencia de los núcleos.

Al establecer las propiedades de este núcleo y de sus vecinos inmediatos, los físicos contarán con una sólida plataforma desde la que pueden determinarse las propiedades de los núcleos de masa intermedia ricos en protones. Hasta la fecha, sólo se ha sintetizado un puñado de núcleos de estaño-100, en Francia y Alemania, pero no se conoce casi nada sobre la estructura de sus capas.

En el nuevo experimento, los investigadores comenzaron por sintetizar el estaño-101 y midieron su estado de excitación más bajo. El estaño-101 consiste en un núcleo de estaño-100 con un neutrón extra de valencia que orbita en estados cuánticos discretos en el campo del núcleo.

Los rayos gamma emitidos durante la transición entre estos estados fueron detectados y analizados, y se identificó el núcleo del estaño-101.

A corto plazo, los investigadores esperan encontrar más estados cuánticos en el estaño-101 y de esta manera aprender más sobre su núcleo. Sin embargo, el experimento proporciona un paso técnico fundamental para el estudio futuro del propio estaño-100.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/051007d.html
Tirso Ramírez
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Estrategia de Diseño Para Combatir la Fuerza de Casimir

En el mundo cuántico, dos placas de metal separadas por una distancia casi infinitesimal, se atraen espontáneamente. Esto puede ser un problema si se quiere mantener separadas a tales placas.

Este fenómeno, que parece cosa de magia, es conocido como la fuerza de Casimir. Ésta ha sido bien documentada por medio de experimentos. Su causa está en el corazón de la física cuántica: el espacio aparentemente vacío no lo está en realidad, sino que contiene partículas virtuales asociadas con las fluctuaciones de campos electromagnéticos. Estas partículas empujan las placas desde el exterior hacia el interior, y también desde el interior hacia el exterior. Sin embargo, sólo las partículas virtuales de las longitudes de onda más cortas pueden encajar en el espacio entre las placas, de manera que la presión hacia el exterior es ligeramente menor que la presión hacia el interior. El resultado es que las placas son forzadas a unirse.

Ahora, físicos de la Universidad de Florida han comprobado que pueden reducir la fuerza de Casimir recurriendo a la estrategia de alterar la superficie de las placas. El descubrimiento podría servir para mitigar un problema común con los MEMS, diminutos sistemas microelectromecánicos que ya se han comenzado a usar en un amplio conjunto de productos cotidianos. El problema en cuestión es el de que dos objetos muy pequeños y muy cercanos tienden a pegarse. Y cuanto más se miniaturicen estos MEMS, más les afectarán las fuerzas cuánticas.

Aunque este fenómeno tiene muchas causas, incluyendo, por ejemplo, la presencia de moléculas de agua que tienden a agruparse, la fuerza de Casimir puede contribuir. Tales efectos cuánticos podrían llegar a ser muy importantes cuando las separaciones entre los componentes en las maquinarias diminutas se encojan desde las dimensiones micrométricas hasta las nanométricas.

En la última investigación, los físicos alteraron radicalmente la forma de algunas placas de metal, corrugándolas con "zanjas" uniformemente espaciadas para que se parecieran a una especie de peine tridimensional. Entonces compararon las fuerzas de Casimir generadas por estos objetos corrugados, con las fuerzas generadas por las placas normales, y también los efectos de una esfera de metal sobre unos y otros.

¿El resultado? La fuerza es más pequeña para el objeto corrugado, pero no tan pequeña como los investigadores anticiparon. Si al corrugar el metal se reduce su área total a la mitad, la fuerza de Casimir se reduce sólo entre el 30 y el 40 por ciento.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/080908a.html
Tirso Ramírez
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Vinculación Sobre el Espín de un Electrón y Su Orbita

Un equipo de físicos ha encontrado que en un nanotubo de carbono el espín de un electrón está acoplado a la órbita del electrón, o en otras palabras el espín interactúa con la órbita. El hallazgo significa que los investigadores que esperan utilizar los nanotubos de carbono para la computación cuántica, en la cual el espín de un electrón representaría un bit de datos, pueden tener que cambiar sus enfoques de diseño, especialmente la forma de leer o cambiar el espín, pero por otra parte ofrece una forma nueva de manipularlo, cambiando la órbita.

La investigación ha sido realizada por Paul McEuen y Daniel Ralph, profesores de física en la Universidad de Cornell, y los antiguos investigadores de esa universidad, Shahal Ilani, ahora en el Instituto Weizmann de Ciencia, en Israel, y Ferdinand Kuemmeth, ahora en la Universidad de Harvard.

Los nanotubos de carbono son diminutos cilindros cuyas paredes están formadas por átomos de carbono. En lugar de orbitar a átomos individuales, los electrones libres en un nanotubo orbitan alrededor de su circunferencia. Entretanto, el electrón que describe ese círculo puede tener su espín orientado en dos posibles direcciones.

Para probar esto, los investigadores crearon un dispositivo diminuto en el que un nanotubo de carbono de aproximadamente 5 nanómetros de diámetro y 500 de largo estaba montado entre dos electrodos sobre una estructura de silicio, lo que permite la aplicación de cargas eléctricas variables al tubo. El diseño del dispositivo hizo posible crear puntos cuánticos que contienen un pequeño número de electrones, que puede ser de hasta de un solo electrón.

Aplicando un campo magnético a lo largo del eje del tubo y midiendo el flujo de corriente a través del mismo, los investigadores pudieron determinar los niveles de energía de los electrones en las cuatro posibles combinaciones de espín y órbita (con el espín hacia "arriba" o hacia "abajo" y la órbita en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario) y encontraron que cambiando la dirección de la órbita cambiaba la energía. La órbita del electrón afecta su espín y viceversa.

Esto no impide utilizar los nanotubos en la computación cuántica, pero define nuevas reglas de diseño. También es interesante desde el punto de vista de la física fundamental, porque es la topología cilíndrica única de los nanotubos lo que permite que los electrones tengan órbitas bien definidas y por consiguiente registren este acoplamiento.

El mismo experimento se realizó con los "huecos", o sea lugares donde falta un electrón, creando el equivalente de una carga positiva que se mueve alrededor del tubo.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/120508d.html
Tirso Ramírez
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Dispositivo Cuántico Para Retener, Detectar y Manipular el Espín de un Electrón

Un nuevo dispositivo, desarrollado por un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de Buffalo, retiene, detecta y manipula el espín de un solo electrón superando algunos de los principales obstáculos que han impedido el progreso hacia la espintrónica y la computación cuántica basadas en el espín.

La investigación trae más cerca de la realidad a los dispositivos electrónicos basados sólo en el uso del espín, los cuales prometen una computación de bajo consumo de energía y altos rendimientos.

El nuevo método utilizado en este estudio permite trabajar fácilmente con el espín de electrones aislados, en un modo que tiene el potencial de ser reproducido a mayor escala en el futuro para lograr circuitos integrados de alta densidad.

Si bien varios grupos han conseguido recientemente la retención de un solo espín, todos lo han logrado aplicando puntos cuánticos, semiconductores de tamaño nanométrico que sólo pueden demostrar la retención del espín a temperaturas sumamente frías, por debajo de un grado Kelvin o -272 grados centígrados. Enfriar los dispositivos o las computadoras a estas temperaturas no puede lograrse rutinariamente, y hace a los sistemas mucho más sensibles a las interferencias.

Los investigadores de la Universidad de Buffalo, por el contrario, han atrapado y detectado el espín a temperaturas por encima de los 20 grados Kelvin, un nivel que, según ellos, debe permitir el desarrollo de una tecnología bastante más viable.

Además, el sistema que han desarrollado requiere de relativamente pocas puertas lógicas, componentes semiconductores que controlan el flujo de los electrones, haciendo que incrementar la escala del sistema hacia circuitos integrados más complejos resulte muy factible.

Los investigadores de la Universidad de Buffalo lograron el éxito a través del uso innovador de contactos de punto cuántico: angostos estrechamientos nanométricos que controlan el flujo de las cargas eléctricas entre dos regiones conductoras de un semiconductor.

El sistema desarrollado guía la corriente eléctrica en un semiconductor, mediante la aplicación selectiva de voltaje a las puertas metálicas fabricadas en su superficie.

Estas puertas tienen un orificio nanométrico entre ellas y es allí donde se forma el contacto de punto cuántico cuando se les aplica el voltaje.

Variando el voltaje aplicado a las puertas, el ancho de esta constricción puede ser disminuido continuamente, hasta que se acaba cerrando por completo.

Al aumentar los investigadores la carga en las puertas, empieza a cerrarse el orificio permitiendo que cada vez menos electrones lo atraviesen hasta que finalmente dejan de hacerlo. Cuando los investigadores estrechan el canal, justo antes de que se cierre completamente el orificio, pueden detectar y atrapar al último electrón en el canal y su espín.

El próximo paso en la línea de investigación del equipo de la Universidad de Buffalo es la retención y detección de dos o más espines que puedan comunicarse entre sí, requisito previo para la espintrónica y la computación cuántica.

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/051107e.html
Tirso Ramírez
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Apilar Fotones Gracias a un Fenómeno Optico

Unos investigadores de la Universidad de Calgary han conseguido utilizar el entrelazamiento cuántico para apilar partículas de luz.

Aunque muchos de nosotros disfrutamos montando pequeñas casas con las piezas de algún juego de construcción cuando éramos niños, esta tarea es mucho más difícil si las piezas son partículas elementales. Es aún más difícil si estas partículas son los fotones, ya que suelen moverse a una enorme velocidad y "desaparecen" con relativa facilidad.

Un equipo de la Universidad de Calgary ha logrado exactamente eso: Mediante la estrategia de manipular una misteriosa propiedad cuántica de la luz conocida como entrelazamiento cuántico, es capaz de amontonar dos fotones, uno encima del otro, para construir diversos estados cuánticos de la luz, es decir, siguiendo el símil antes expuesto, construir casas de juguete cuánticas de dos piezas o dos pisos, y de cualquier estilo y arquitectura posibles.


Esta capacidad de preparar o controlar objetos cuánticos complejos es vital para el desarrollo de infinidad de tecnologías cuánticas que hasta hace poco eran sólo teoría.

Se espera que esa nueva generación de tecnología dote a la humanidad de capacidades cualitativamente nuevas. Entre ellas figurarían instrumentos de medición de extraordinaria sensibilidad, ordenadores muchísimo más rápidos que la más potente de las supercomputadoras actuales, sistemas de comunicación teóricamente inexpugnables, y un control muy superior al actual sobre las reacciones químicas.

Los investigadores de la Universidad de Calgary utilizan espejos y lentes para enfocar un haz de luz láser azul en un cristal especializado. Este cristal toma los fotones azules de alta energía y los convierte en una superposición cuántica de fotones rojos de más baja energía que surgen en dos direcciones o "canales". Al medir uno de los canales usando detectores extremadamente sensibles, capaces de captar hasta a un solo fotón, los físicos preparan el estado cuántico deseado en el otro.

Tal operación es posible porque los fotones en los dos canales están entrelazados cuánticamente: La medición hecha en un canal produce un cambio inmediato en el otro, sin importar si las partículas están separadas por la longitud de un brazo o por años-luz de distancia. Albert Einstein llamó a esta rara propiedad cuántica "acción fantasmal a distancia".

Obtenido de: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/240310c.html
Tirso Ramírez
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RESEARCHERS PIN DOWN THE ELUSIVE MASSES OF UP, DOWN AND STRANGE QUARKS

Quarks, the elementary particles that make up protons and neutrons, have been notoriously difficult to nail down -- much less weigh -- until now. A research group co-founded by Cornell physics professor G. Peter Lepage has calculated, with a razor-thin margin of error, the mass of the three lightest and, therefore, most elusive quarks: up, down and strange.


Christine Davies/University of Glasgow
Quarks exist in a soup of other quarks, antiquarks and gluons within a proton or neutron. Determining their mass has been difficult due to the strong force that binds them together.
The work of Lepage, the Harold Tanner Dean of the College of Arts and Sciences, and collaborators from several international institutions, is published online (March 31) and in print in Physical Review Letters (Vol. 104:13).

The findings reduce the uncertainty of the quark masses by 10 to 20 times down to a few percent. Scientists have known the mass of a proton for almost a century, but getting the mass of the individual quarks inside has been an ongoing challenge. The quarks are held together by the so-called strong force -- so powerful that it's impossible to separate and study them. They exist in a soup of other quarks, antiquarks and gluons, which are another type of particle.

To determine the quark masses, Lepage explained, it was necessary to fully understand the strong force. They tackled the problem with large supercomputers that allowed them to simulate the behavior of quarks and gluons inside such particles as protons.

Quarks have an astonishingly wide range of masses. The lightest is the up quark, which is 470 times lighter than a proton. The heaviest, the t quark, is 180 times heavier than a proton -- or almost as heavy as an entire atom of lead.

"So why these huge ratios between masses? This is one of the big mysteries in theoretical physics right now," Lepage said. "Indeed it is unclear why quarks have mass at all." He added that the new Large Hadron Collider in Geneva was built to address this question.

According to their results, the up quark weighs approximately 2 mega electron volts (MeV), which is a unit of energy, the down quark weighs approximately 4.8 MeV, and the strange quark weighs in at about 92 MeV.

The research was supported by the Leverhulme Trust, the Royal Society, Science and Technology Facilities Counsel, Scottish Universities Physics Alliance, Spain's Ministry of Science and Innovation, the National Science Foundation and the Department of Energy.

Obtenido de: http://www.news.cornell.edu/stories/May10/LepageQuark.html
Tirso Ramírez
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Quantum Chaos Unveiled? Quantum Spins: So You Think You Can Do a Chaotic Dance

Aug. 6, 2008 - A University of Utah study is shedding light on an important, unsolved physics problem: the relationship between chaos theory--which is based on 300-year-old Newtonian physics--and the modern theory of quantum mechanics.

The study demonstrated a fundamental new property - what appears to be chaotic behavior in a quantum system - in the magnetic "spins" within the nuclei or centers of atoms of frozen xenon, which normally is a gas and has been tested for making medical images of lungs.

The new study - published in the Aug. 8 issue of the journal Physical Review Letters - was led by Brian Saam, an associate professor of physics and associate dean of the University of Utah's College of Science.

Quantum mechanics - which describes the behavior of molecules, atoms electrons and other subatomic particles - "plays a key role in understanding how electronics work, how all sorts of interesting materials behave, how light behaves during communication by optical fibers," Saam says.

"When you look at all the technology governed by quantum physics, it's not unreasonable to assume that if one can apply chaos theory in a meaningful way to quantum systems, that will provide new insights, new technology, new solutions to problems not yet known."

University of Utah physicist Brian Saam examines tubes of invisible xenon gas that he used to explore the relationship between chaos theory and modern quantum physics.

Photo Credit: Eric Sorte

Brian Saam, a University of Utah physicist, is publishing a new study demonstrating a fundamental new property in the magnetic "spins" of atoms: a system that always has been described by modern quantum physics but that appears to have behavior predicted by chaos theory, which is based on three-century old classical physics.

Photo Credit: Eric Sorte

A Chaotic Dance of Nuclear Spins

Just as atomic nuclei and their orbiting electrons can have electrical charges, they also have another property known as "spin." The spin within an atomic nucleus or electron is like a spinning bar magnet that points either up or down.

Saam and graduate student Steven Morgan zapped xenon atoms with a strong magnetic field, laser beam and radio-wave pulse so the nuclear spins were aligned in four different configurations in four samples of frozen xenon, each containing about 100 billion billion atoms [billion twice is correct].

Despite differing initial configurations, the "dances" of the xenon spins evolved so they eventually were in sync with each other, as measured by nuclear magnetic resonance, or NMR. That took a few thousandths of a second - something physicists seriously call "long-time behavior."

"This type of common behavior has been a signature of classically chaotic (Newtonian) systems, mostly studied using a computer, but it never had been observed in an experimental system that only can be described by quantum mechanics," Saam says.

As an analogy, imagine billions of people in a huge, unfamiliar city. They start walking around in different places and directions, with little conversation among them. Yet, eventually, they all end up walking in the same direction.

Such behavior in nuclear spins had been predicted in 2005 by the study's third author, physicist Boris Fine of the University of Heidelberg in Germany. Fine had made the prediction by adapting chaos theory to quantum theory.

Order from Chaos

The evolution of disorder into order by the xenon atoms' nuclear spins is a signature of chaos theory, which, contrary to the popular notion, does not imply complete disorder. Instead, chaos theory describes how weather, certain chemical reactions, planetary orbits, subatomic particles and other dynamic systems change over time, with the changes often highly sensitive to starting conditions.

"When you have a [chaotic] system that is characterized by extreme randomness, it paradoxically can produce ordered behavior after a certain amount of time," says Saam. "There is strong evidence that is happening here in our experiment."

The sensitivity to starting conditions is known popularly as "the butterfly effect," based on the fanciful example that a butterfly flapping its wings in South America might set off subtle atmospheric changes that eventually build into a tornado in Texas.

Saam says chaos theory can make predictions about extremely complex motions of many particles that are interacting with each other. The mathematical notion of chaos first was described in the 1890s. Chaos theory was developed in the 1960s, based on classical physics developed in the late 1600s by Sir Isaac Newton. Classical physics says the motion, speed and location of any particle at any time can be determined precisely.

In contrast, quantum mechanics holds that "when things get atom small, our notions of being able to put a specific particle in a specific place with a specific speed at a specific time become blurry," Saam says. So a particle's speed and location is a matter of probability, and "the probability is the reality."

Details of the Study: ‘These Guys are Dancing Together'

Technically, spin is the intrinsic angular momentum of a particle - a concept so difficult to explain in lay terms that physicists usually use the bar magnet analogy.

A nonmagnetic material normally has random spins in the nuclei of its atoms - half the spins are up and half are down, so the net spin is zero. But magnetic fields can be applied so that the spins are aligned - with more up than down, or vice versa.

Physicists can measure the alignment or "polarization" of the spins using NMR's strong magnetic field. Nuclear spins also are used medically: When a patient lies within a magnetic resonance imaging (MRI) device's large magnet, the spins within atoms in the body generate electrical signals that are used to make images of body tissues. Doctors are testing xenon as a way to enhance MRI images of the lungs.

Saam and colleagues used xenon because its spins can be aligned relatively easily.

In each experiment, Saam and Morgan used a magnetic field and a laser to align or "hyperpolarize" the spins in a sample of about 100 billion billion xenon gas atoms so a majority of the spins either were aligned "up" or "down." Then, they froze the gas into a solid at a temperature of 321 degrees below zero Fahrenheit.

Then they applied a radio wave pulse, which "flips" the spins so they all are perpendicular to the magnetic field instead of parallel to it. That makes them start circling around the magnetic field axis like spinning tops.

In this manner, the physicists created four frozen xenon samples. Within each sample, the spins were aligned, but different radio pulses were used to make the initial alignment or configuration of the spins different from one sample to the next.

The scientists then used NMR to watch the spins decay or fade over thousandths of a second.

"Although they are held in place in the crystal structure, the spins can interact with each other and change the direction in which they're pointed in much the same way that magnets interact with each other when brought close together," Saam says.

The initial configuration of spins in each xenon sample evolved in extremely complicated ways due to the presence of billions of interacting spins, and each sample rapidly "lost its memory" of where it started. Such behavior has been known for 60 years.

The surprise was that while each sample's initial NMR signal was radically different from the other, they displayed "identical long-time behavior," says Saam.

"Somehow despite the fact these spins have very complicated interactions with each other and started out in completely different orientations, they end up all moving in the same way after several milliseconds," he says. "That's never been seen before in a quantum mechanical system. These guys are dancing together."

Saam says the technical achievement was that the huge amount of polarization made it possible for NMR to measure an extremely weak spin signal - only one-thousandth as strong as the original signal by the time the samples appeared to behave chaotically.

Obtenido de: http://www.unews.utah.edu/p/?r=071408-1

Tirso Ramírez

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