Mirando el interior de los cristales fotónicos

En el futuro, la comunicación fotónica podría reemplazar a la electrónica. Los cristales fotónicos son ideales para este propósito, porque pueden guiar y doblar la luz en la escala nanométrica. Para poder estudiarlos, es necesario poder medir la distribución de intensidad de la luz en su interior. Como se reportó en un paper reciente, esto ahora es posible. Leé más y enterate de qué se trata.

Los cristales fotónicos son estructuras tridimensionales ordenadas en las que se puede manipular la dirección la luz, así como en los semiconductores pueden manipularse el flujo de los electrones. La periodicidad en el retículo (red tridimensional) de los cristales fotónicos es del orden de la longitud de onda de la luz visible (en un cristal iónico formado por átomos, esta periodicidad es del orden de la longitud de onda de los rayos X, de ahí la importancia de utilizar la difracción de rayos X para identificar la estructura cristalina).

En el estudio de los cristales fotónicos, el objetivo es lograr que interactúen con la luz de una manera suficientemente fuerte como para que se forme un band gap fotónico, un rango de colores que están prohibidos para propagarse en cualquier dirección. El band gap se origina de un desorden en el material, porque el desorden conduce a estados localizados que efectivamente atrapan a la luz. El control del band gap permite a los científicos aprovechar los haces de luz y maniobrarlos alrededor de chips ópticos.

Para obtener esta información, es útil conocer la distribución del campo electromagnético en el interior del cristal. Hasta ahora sólo se contaba con métodos superficiales de estudio, pero superficial no es suficiente.

Científicos holadenses de la Universidad de Twente lograron, recientemente, mapear la fuerza absoluta de cada componente individual del campo en el interior del cristal, o sea, pueden ver el campo en el interior, con un experimento muy simple. Colocaron un cristal fotónico en una cavidad entre dos espejos de aluminio, dentro de la cual la luz rebota en los espejos. Como la luz es una onda, sólo las longitudes de onda que encajen perfectamente en el largo de la cavidad tendrán interferencia constructiva, es decir, sólo un color puede existir dentro de la cavidad.

Luego de medir ese color resonante (que es de una dada frecuencia), investigaron cómo la frecuencia se altera si bajan una cuenta o perlita de 2 mm, colgando de un hilo de nylon, dentro del cristal. La cuenta difracta las ondas electromagnéticas cercanas, cambiando la frecuencia de una manera proporcional a la intensidad de la luz en ese punto. Ahora mueven la cuenta de lugar y voilá, un mapa de fuerza del campo electromagnético en todo el interior del metal se consigue.

El experimento se ve claramente en la siguiente imagen: la frecuencia natural (primer dibujo) dentro de la cavidad es tal que la luz resonante es de color azul. Colocando la cuenta en uno de los puntos del interior (segundo dibujo), la frecuencia cambia y la luz es verde. Cambiándola ahora a otro punto (tercer dibujo), la frecuencia se corre aún más, y la luz se vuelve roja. Aplicando la propiedad mencionada del cambio de frencuencia, se encuentra la distribución buscada.

Si bien el campo magnético en el interior del cristal tiene seis componentes, cada una de ellas puede ser medida cambiando las propiedades de forma, tamaño y orientación de la cuenta, tal que una sola de las componentes contribuya al corrimiento de frecuencia.

Las aplicaciones futuras de estos materiales son poderosísimas, dado que las comunicaciones en circuitos podrían ocurrir, literalmente, a la velocidad de la luz. Esto también produciría un gran ahorro energético. Si bien estos fenómenos están comenzando a comprenderse, no cabe dudas que la fotónica y la acústica en las nanoescalas son parte del futuro tecnológicos que podemos comenzar a vislumbrar a través de los desarrollos de la ciencia básica más novedosos.

Fuente: http://phys.org/news/2012-10-glimpse-photonic-crystal.html

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Energía oscura... ¿Qué energía oscura?

Recientemente un profesor de la Universidad de Hofsra, Brett Brochner, presentó un modelo cosmológico en la 13th Marcel Grossman Meeting on General Relativity, Estocolmo, Suecia. Su modelo logra recrear las observaciones sobre la aparente expansión del Universo, pero no incluye la existencia de la misteriosa energía oscura. ¿Es posible ignorar la existencia de un ente que, si bien no es comprendido aún, abunda en la mayoría de las teorías?

La energía oscura se propuso en 1998 como un artilugio para explicar el fenómeno de aceleración del Universo, que no es consistente con la masa-energía conocida. Esto llevó a la idea de que podía existir una forma exótica de energía que empapa al Universo y provoca repulsión entre la materia existente a grandes escalas. Su influencia es antigravitatoria. Michael Tuener la llamó "energía oscura", en relación al término "materia oscura" acuñado por Fritz Zwicky en los años 30'. La materia oscura es un tipo de materia hipotetizado que no produce ningún fenómeno observable de manera directa, sino que sus efectos pueden ser inferidos a partir de efectos gravitacionales en la materia visible. La materia "ordinaria" constituye sólo el 4% del Universo observable, mientras que la materia oscura se supone que forma el 23%, y la energía oscura el 73%, de la materia restante.



Como nos podemos imaginar, el tratamiento de los modelos del Universo es extremadamente complejo, y las aproximaciones son inevitables. El trabajo de Brochner consistió en revisar las aproximaciones realizadas por otros modelos. Una de las aproximaciones más comunes es la de considerar a la materia como un ente uniformemente distribuido en el universo, lo cual es una suposición razonable, puesto que la observación lo confirma hasta un cierto porcentaje. Sin embargo, es completamente obvio que la uniforme distribución de la materia-energía no es completa, porque en ese caso no habría planetas diferenciables, ni galaxias diferenciables, por espacio vacío entre ellas. Por ejemplo, en el sistema solar el 99.85% de la materia está concentrada en el Sol, que ocupa un pequeño volumen en relación al sistema solar completo.

Algunos modelos precisos han mostrado que esta falta de uniformidad en pequeñas escalas se cancelan cuando se consideran grandes escalas, pero la relación precisa que existe entre aquellas a grandes y pequeñas escalas todavía no es bien conocida.

El modelo de Brochner propone una explicación para la expansión acelerada del universo sólo considerando formas de materia-energía conocidas previamente, y esto es lo llamativo. No es necesario crear ningún tipo de energía nueva y desconocida como la energía oscura. Según él, las pequeñas irregularidades en la distribución de materia tiene un efecto acumulativo a través del espacio, que produce la aparente aceleración en la expansión del Universo. Previamente se pensaba que el efecto de este fenómeno, que Brochner llama "causal backreaction", no era suficientemente para explicar la acelerada expansión del Universo; pero su modelo, más detallado, y combinado con el fuerte agrupamiento que existe entre la materia puede recrear los resultados del modelo "estándar", que tiene en cuenta a la energía oscura.

Ahora bien: es improbable que las ideas de Brochner logren reemplazar un paradigma mundialmente aceptado, por más que su modelo no incluya elementos desconocidos hasta el momento. Quiero decir, su modelo también tiene simplificaciones, y es cuestionable si esas simplificaciones son más aceptables que las simplificaciones comunes de la cosmología, como la de la uniformidad de la materia-energía. Pero lo impactante de esto es que, a pesar de ser mundialmente aceptada, la naturaleza de la energía oscura sigue siendo un misterio, al punto en que su existencia misma es cuestionable. Imaginen ustedes, que son científicos investigando a la misteriosa energía oscura, sin poder verla ni ver ningún efecto más que el de la velocidad de expansión del Universo, y que de pronto alguien cuestione si lo que ustedes investigan pueda tener existencia o no. A veces la ciencia juega con los paradigmas, más si se está indagando en la mismísima frontera del conocimiento.
Presentación de Brochner en .pptx.
Facebook de divulgación de la Universidad de Hofsra.

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La ciencia detrás del bosón de #Higgs y la nueva partícula

En el día de hoy científicos encargados de los proyectos ATLAS y CMS que se llevan a cabo en el CERN, anunciaron picos significativos, consistentes con el bosón de Higgs, la "partícula de Dios" para los sensacionalistas. Pero, ¿qué es en realidad?.

Muchas personas se imaginan a la materia como algo formado por pequeñas pelotitas que tienen masa y están pegadas entre sí por alguna fuerza enlazante. El modelo estándar de la física propone que las partículas per se no tienen masa y se mueven a la velocidad de la luz, y que la masa en realidad es un efecto de la interacción de algunas partículas con un campo que ocupa cada rincón del Universo, el campo de Higgs (o de Englert-Brout-Higgs, para no dejar a nadie sin crédito). Así las partículas se desaceleran y pueden interactuar entre sí, uniéndose y formando la materia como la conocemos. El bosón de Higgs es el resultado de una perturbación del campo de Higgs, producida por un aumento de la energía (de varios miles de millones de electronvoltios). La colisión entre partículas subatómicas, que se realizan en el LHC (Large Hadron Collider) del CERN, en el Tevatron de Fermilab, y en otros laboratorios, produce esa liberación de energía que los físicos necesitan para observar el bosón de Higgs. Para saber por qué se propuso esa descripción del Universo y no la de las "pelotitas con masa propia", ir al final del post.

En Diciembre del año pasado, CERN anunció que había eventos extra alrededor de los 124-126 GeV, lo cual sugiere la existencia de una partícula muy masiva como el bosón de Higgs (la masa se expresa en unidades de energía porque están relacionadas por la expresión E = mc²). Sin embargo, la información no era estadísticamente confiable, por lo que eran necesarios más experimentos para confirmarlo. En esa ocasión, el experimento ATLAS arrojó un resultado consistente con una partícula entre 125-126 GeV con un nivel estadístico de 3.6 sigma (desviación estándar), mientras que el CMS mostraba un evento a 124 GeV con 2.6 sigma. Es necesaria una confianza estadística de 5 sigma para confirmar la existencia de la partícula. Además, habían obtenido otras señales menores que provocaban confusión.

Hoy se anunció desde el CERN, en Ginebra, como cortina de la mayor conferencia de física de partículas, el ICHEP2012 (en Melbourne), que tanto para el experimento ATLAS como el CMS se obtuvieron resultados consistentes con una partícula como el Higgs. Fabiola Gianotti, la vocera del ATLAS, afirmó

“We observe in our data clear signs of a new particle, at the level of 5 sigma, in the mass region around 126 GeV. The outstanding performance of the LHC and ATLAS and the huge efforts of many people have brought us to this exciting stage, but a little more time is needed to prepare these results for publication.”

Mientras que Joe Incandela, vocero del CMS, expresó

"The results are preliminary but the 5 sigma signal at around 125 GeV we’re seeing is dramatic. This is indeed a new particle. We know it must be a boson and it’s the heaviest boson ever found. The implications are very significant and it is precisely for this reason that we must be extremely diligent in all of our studies and cross-checks."

Lo sorprendente es la semejanza en los resultados de ambos experimentos, realizados por separado. Según los últimos resultados, entonces, el bosón de Higgs sería una partícula con una masa de 125-126 GeV. Pero todavía hay mucho por conocer sobre esta partícula.

El bosón según el modelo estándar tiene propiedades muy específicas: decae muy rápido en "partículas normales" que pueden ser medidas en el detector. El experimento llevado a cabo en el experimento ATLAS es una colisión entre dos protones, y el decaimiento observado puede ser en dos fotones de alta energía o 4 leptones (muones o electrones), como la animación (de un evento real) que se encuentra más abajo. Estas señales de decaimiento son huellas del bosón de Higgs. Experimentalmente, los detalles del decaimiento todavía no se conocen y es algo en lo que se continuará investigando, lo cual concluirá si se trata del bosón predicho en el modelo de Higgs, responsable de la fuerza electrodébil, u otro bosón (ver al final del post para entender esto).


En virtud de los resultados, el modelo estándar será confirmado o necesitará unos ajustes. Si bien se puede decir que se trata de un bosón por su gran masa, es más liviano que lo que se esperaba. De ser este el bosón buscado, debería inducir a una reinterpretación parcial del modelo estándar como se lo conoce hoy, porque cambiaría la forma funcional del potencial. Esto llevaría a una nueva física, ligeramente distinta a la intepretación actual.

Además del modelo estándar, existen otros modelos teóricos para explicar la naturaleza del Universo. Algunos de ellos pueden ser descartados por el resultado comunicado hoy, pero otros siguen en pie. Entre ellos está del modelo de la supersimetría, que propone la existencia de 5 bosones de Higgs en lugar de uno. Este modelo es simplemente una extensión del modelo estándar, tal como lo es la Relatividad General de Einstein a los trabajos de Gravitación Universal de Newton: el más abarcativo tiende al comportamiento "clásico" en las condiciones cotidianas.

Cómo sigue: lo próximo es checkear las propiedades de la partícula, para ver si es realmente consistente con el modelo estándar. En caso de serlo, deberían haber otras partículas similares, como las supersimétricas; esto se podría hacer detectando partículas de materia oscura, por ejemplo. El LHC también puede revelar la existencia de dimensiones extra, que provocarían que la gravedad sea mucho mayor a distancias muy cortas debido a la curvaturas de las demás dimensiones, lo cual llevaría finalmente a una teoría que englobe a la mecánica cuántica y a la relatividad general en un formalismo consistente. Todavía hay mucho por descubrir.

Espero que les guste! Siéntanse libres de comentar, corregir y preguntar.
Saludos!

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Para saber más:
Cómo funciona el mecanismo propuesto por Higgs.
Todas las partículas fundamentales que forman la materia tienen masa. Además, la cuántica requiere que las fuerzas sean transportadas por partículas. Las partículas W y Z que producen la fuerza nuclear débil, responsable de la radioactividad, tienen masa, mientras que los fotones, que transportan la fuerza electromagnética, no la tienen. Esta es la raíz del problema de Higgs: cómo dotar de masa a las partículas fundamentales y romper la simetría entre las W y Z y los fotones. La naturaleza debe tener un mecanismo para corregir esta inconsistencia, si asignar o no masa a las partículas. Y allí es donde entra el mecanismo propuesto por Englert, Brout y Higgs.
De acuerdo al mecanismo propuesto, la propiedad que medimos como "masa" es el resultado de una interacción constante con algo que empapa el Universo, una suerte de "éter", que es el campo de Higgs. La existencia de este campo se prueba inmediatamente si se halla la partícula, que es una mera perturbación del mismo.
Originalmente, el mecanismo se desarrolló para explicar por qué una de las fuerzas (la débil) tiene un alcance muy pequeño, mientras que otra (la electromagnética) tiene un alcance infinito. Como las partículas al interactuar intercambian estos transportadores de energía, mientras más masivo sea el transportador, menos distancia podrá recorrer, y de allí su alcance más corto.
El modelo de Higgs es el más simple que explica estas diferencias en masa, y por extensión, explica por qué otras partículas tienen masa. De ser probado, las fuerzas débil y electromagnética podrían ser unificadas en una única teoría "electrodébil". Pero no confundirse, porque el campo de Higgs contribuye poco a la masa de los cuerpos, tal como la conocemos. Por ejemplo, del total de la masa de una persona, menos de 1 kg proviene de la interacción con el campo, mientras que el resto viene de la fuerza nuclear fuerte que une a los quarks en los nucleones (protones y neutrones).
Como los bosones de Higgs son pequeñas fluctuaciones del campo de Englert-Brout-Higgs, se producen cuando se inyecta gran cantidad de energía en el campo. Concentrando la energía de la colisión de dos partículas que resuena a la energía precisa correspondiente a la masa del Higgs. El bosón existe momentáneamente, y luego decae en otras partículas que pueden ser detectadas por el LHC. Para más información, visitar la fuentes que se citan al final.

Fuentes:
Video de ATLAS
NewScientist
CERN PR
CERN Bulletin
CERM FAQ: The Higgs!
PhysOrg

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