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Un estado cuántico único de la materia emerge en Columbia

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Un estado cuántico único de la materia emerge en Columbia

Investigadores de la Universidad de Columbia han creado un condensado de Bose-Einstein (BEC) utilizando moléculas de sodio-cesio, enfriadas a sólo cinco nanoKelvin y estables durante dos segundos. Este logro abre posibilidades para explorar diversos fenómenos cuánticos y simular las propiedades cuánticas de materiales complejos. Crédito: SciTechDaily.com

físicos en Universidad de Colombia llevó las moléculas a un nuevo límite ultrafrío y creó un estado de la materia donde reina la mecánica cuántica.

Hay un nuevo BEC en la ciudad que no tiene nada que ver con tocino, huevos y queso. No lo encontrará en su bodega local, sino en el lugar más frío de Nueva York: el laboratorio del físico colombiano Sebastián Will, cuyo grupo experimental se especializa en empujar átomos y moléculas a temperaturas de unas pocas fracciones de grado por encima. cero absoluto.

Escribir en NaturalezaEl laboratorio Will, con el apoyo del colaborador teórico Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, logró crear un estado cuántico único de la materia llamado condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas.

Avance en los condensados ​​de Bose-Einstein

Su BEC, enfriado a sólo cinco nanoKelvin, o alrededor de -459,66°F, y estable durante dos segundos sorprendentemente largos, está compuesto de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen carga tanto positiva como negativa. La distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que conforman la física más interesante, señaló Will.

La investigación que el laboratorio Will está entusiasmado de realizar con sus BEC moleculares incluye la exploración de una serie de fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar fricción. También esperan convertir sus BEC en simuladores capaces de recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

Un estado molecular de la materia cuántica.

Utilizando microondas, los físicos de Columbia crearon un condensado de Bose-Einstein, un estado único de la materia, a partir de moléculas de sodio y cesio. Crédito: Will Lab, Universidad de Columbia/Myles Marshall

«Los condensados ​​moleculares de Bose-Einstein abren áreas de investigación completamente nuevas, desde la comprensión de la física verdaderamente fundamental hasta el avance de poderosas simulaciones cuánticas», dijo. «Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo».

Es un sueño hecho realidad para el laboratorio Will y un sueño que lleva décadas gestándose para la comunidad de investigación de temperaturas ultrafrías en su conjunto.

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Moléculas ultrafrías, un siglo en desarrollo

La ciencia de los BEC se remonta a un siglo atrás, gracias a los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. En una serie de artículos publicados en 1924 y 1925, predijeron que un grupo de partículas enfriadas hasta casi detenerse se fusionarían en una superentidad única y más grande con propiedades y comportamientos compartidos dictados por las leyes de la mecánica cuántica. Si se pudieran crear BEC, ofrecerían a los investigadores una plataforma atractiva para explorar la mecánica cuántica en una escala más manejable que la de átomos o moléculas individuales.

Han pasado unos 70 años desde estas primeras predicciones teóricas, pero los primeros BEC atómicos se crearon en 1995. Esta hazaña fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 2001, justo cuando Will hacía su debut en física en la Universidad de Mainz. en Alemania. Actualmente, los laboratorios fabrican de forma rutinaria BEC atómicos a partir de varios tipos diferentes de átomos. Estos BEC han ampliado nuestra comprensión de conceptos como la naturaleza ondulatoria de la materia y los superfluidos y han llevado al desarrollo de tecnologías como los microscopios cuánticos de gases y los simuladores cuánticos, por nombrar algunos.

Equipo BEC de la Universidad de Columbia

De izquierda a derecha: el científico investigador asociado Ian Stevenson; el estudiante de doctorado Niccolò Bigagli; Weijun Yuan, estudiante de doctorado; Boris Bulatovic, estudiante universitario; Siwei Zhang, estudiante de doctorado; y el investigador principal Sebastian Will. Sin foto: Tijs Karman. Crédito: Universidad de Columbia

Pero los átomos son, en general, relativamente simples. Son objetos redondos y generalmente no presentan interacciones que puedan surgir por polaridad. Desde la creación de los primeros BEC atómicos, los científicos han querido crear versiones más complejas basadas en moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples hechas de dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí habían resultado difíciles de enfriar por debajo de la temperatura necesaria para formar un BEC adecuado.

El primer avance se produjo en 2008, cuando Deborah Jin y Jun Ye, físicos de JILA en Boulder, Colorado, enfriaron un gas compuesto de moléculas de potasio y rubidio a unos 350 nanoKelvin. Estas moléculas ultrafrías han demostrado ser útiles en los últimos años para realizar simulaciones cuánticas y estudiar colisiones moleculares y química cuántica, pero para cruzar el umbral BEC se necesitaban temperaturas aún más bajas.

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En 2023, el laboratorio Will creó el primer gas ultrafrío de su molécula preferida, sodio-cesio, utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulaciones magnéticas, similar al enfoque de Jin y Ye. Para hacerlo más frío, instalaron microondas.

Innovaciones con microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética con una larga trayectoria en Colombia. En la década de 1930, el físico Isidor Isaac Rabi, que luego recibiría el Premio Nobel de Física, llevó a cabo un trabajo pionero sobre las microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. «Rabi fue uno de los primeros en controlar los estados cuánticos de las moléculas y fue un pionero en la investigación de microondas», dijo Will. “Nuestro trabajo es parte de esta tradición de 90 años. »

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas a la hora de recalentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, por tanto, forman complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula que les impiden colisionar, una idea propuesta por Karman, su colaborador en Holanda. Debido a que las moléculas están protegidas de colisiones con pérdidas, sólo las más calientes pueden eliminarse preferentemente de la muestra, el mismo principio físico que enfría tu taza de café cuando la soplas, explicó el autor Niccolò Bigagli. Las moléculas restantes estarán más frías y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo cerca de crear un BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en física natural quien introdujo el método de protección contra microondas. Pero se necesitaba otro giro experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el sodio-cesio finalmente cruzó el umbral BEC, un objetivo que el laboratorio Will había fomentado desde su apertura en Columbia en 2018.

«Fue un cierre fantástico para mí», dijo Bigagli, quien obtuvo su doctorado en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. “Pasamos de ningún laboratorio a estos fantásticos resultados. »

Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede manipular la orientación de las moléculas. Esto, a su vez, proporciona una forma de controlar cómo interactúan, algo que el laboratorio está explorando actualmente. «Al controlar estas interacciones dipolares, esperamos crear nuevos estados y fases cuánticas de la materia», dijo Ian Stevenson, coautor y becario postdoctoral en Columbia.

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Se abre un nuevo mundo para la física cuántica

Ye, un pionero de la ciencia ultrafría con sede en Boulder, considera que los resultados son una excelente pieza de ciencia. «El trabajo tendrá impactos significativos en una serie de campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la exploración de materiales cuánticos altamente correlacionados», comentó. «El experimento de Will implica un control preciso de las interacciones moleculares para dirigir el sistema hacia el resultado deseado: un logro maravilloso en la tecnología de control cuántico».

El equipo de Columbia, por su parte, está encantado de disponer de una descripción teórica de las interacciones entre moléculas que haya sido validada experimentalmente. «Realmente tenemos una buena idea de las interacciones en este sistema, lo cual también es esencial para los próximos pasos, como explorar la física dipolar de muchos cuerpos», dijo Karman. “Desarrollamos sistemas para controlar las interacciones, los probamos en teoría y los implementamos en el experimento. Realmente ha sido una experiencia increíble ver cómo estas ideas de “protección” contra microondas se hacen realidad en el laboratorio. »

Hay docenas de predicciones teóricas que ahora se pueden probar experimentalmente con BEC moleculares, que según el coprimer autor y estudiante de doctorado Siwei Zhang son bastante estables. La mayoría de los experimentos ultrafríos se llevan a cabo en un segundo, algunos tan cortos como unos pocos milisegundos, pero los BEC moleculares del laboratorio duran más de dos segundos. «Esto realmente nos permitirá estudiar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales con los BEC atrapados en una matriz óptica hecha de láseres. Esto permitiría poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en cristales naturales, señaló Will, lo cual es un área de interés en la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos suelen estar hechos con átomos, pero los átomos tienen interacciones de corto alcance (prácticamente tienen que estar uno encima del otro), lo que limita su capacidad para modelar materiales más complejos. «El BEC molecular introducirá más sabor», dijo Will.

Esto incluye la dimensionalidad, dijo Weijun Yuan, coprimer autor y estudiante de doctorado. “Nos gustaría utilizar BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa de tres dimensiones a dos dimensiones, siempre se puede esperar que surja nueva física”, dijo. Los materiales 2D son un área importante de investigación en Columbia; Tener un sistema modelo hecho de BEC moleculares podría ayudar a Will y sus colegas de materia condensada a explorar fenómenos cuánticos que incluyen la superconductividad, la superfluidez y más.

«Parece que se está abriendo un mundo completamente nuevo de posibilidades», dijo Will.

Referencia: “Observación de la condensación de moléculas dipolares de Bose-Einstein” por Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tijs Karman, Ian Stevenson y Sebastian Will, 3 de junio de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z

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¿Cuándo despegarán los astronautas?

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¿Cuándo despegarán los astronautas?
  • La tripulación de Polaris Dawn intentará alcanzar alturas mayores que las alcanzadas por los humanos desde el programa Apolo de la NASA en la década de 1970 y también realizará la primera caminata espacial comercial.
  • El cohete Falcon 9 que transporta al Dragón está programado para despegar entre las 3:38 a.m. y las 7:09 a.m. ET del miércoles desde el Centro Espacial Kennedy de la NASA en Florida.
  • «Falcon y Dragon permanecen sanos y la tripulación continúa lista para su misión de varios días a la órbita terrestre baja», dijo SpacX en las redes sociales.

Una cápsula de SpaceX que transporta a cuatro astronautas comerciales que esperan realizar una caminata espacial pionera no se lanzará hasta al menos el miércoles por la mañana.

La misión Polaris Dawn, un ambicioso viaje de cinco días a las regiones superiores de la órbita de la Tierra, estaba programada para despegar el martes antes de que una fuga de helio detectada obligara a posponerla, dijo SpaceX. dijo el lunes por la tarde en el sitio de redes sociales X.

Cuando la tripulación se lance a bordo de un SpaceX Dragon, será el segundo viaje al espacio para empresario multimillonario Jared Isaacman, quien financió la misión con la empresa de Elon Musk. Isaacman se aventuró previamente en órbita en 2021 a bordo de Inspiration4, la misión que se convirtió en el primer vuelo espacial orbital privado de la historia.

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Un cocodrilo y un tiburón se comieron una vaca marina prehistórica, revela un fósil

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Un cocodrilo y un tiburón se comieron una vaca marina prehistórica, revela un fósil

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Un raro fósil ha proporcionado información sobre lo que fue un día excepcionalmente desafortunado para una vaca marina prehistórica.

La especie ahora extinta de dugongo, un mamífero marino parecido al manatí, nadaba en el mar hace unos 15 millones de años cuando fue atacada por dos animales: un cocodrilo y un tiburón tigre. Este último dejó uno de sus dientes empalado en el cuerpo de la vaca marina.

Al analizar el fósil descubierto en Venezuela, los investigadores pudieron comprender cómo murió la vaca marina, que pertenecía a un grupo de animales extintos conocido como Culebrtherium.

Su estudiarpublicado el jueves en el Journal of Vertebrate Paleontology, captura un momento en el tiempo que ofrece una visión única del funcionamiento de la cadena alimentaria durante la época del Mioceno temprano y medio, hace entre 11,6 y 23 millones de años.

«Es extremadamente raro encontrar rastros de dos depredadores en un solo espécimen», dijo Aldo Benites-Palomino, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el departamento de paleontología de la Universidad de Zurich, Suiza. “Esto muestra por qué deberíamos explorar fósiles en regiones tropicales como Venezuela. »

Los restos fosilizados (un cráneo parcial y 13 vértebras o columna vertebral) revelaron tres tipos de marcas de mordeduras. Su forma, profundidad y orientación sugerían que fueron creados por dos depredadores: un cocodrilo de tamaño pequeño a mediano y un tiburón tigre.

Según el estudio, la criatura parecida a un cocodrilo atacó primero, con los dientes enterrados profundamente en el hocico de la vaca marina, lo que sugiere que intentó agarrar esa parte de la cara del dugongo para asfixiarlo. Otras dos grandes incisiones curvas indican que el cocodrilo arrastró a la vaca marina, desgarrando su carne.

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Las rayas y cortes en el fósil sugieren que el cocodrilo realizó una «vuelta mortal», un comportamiento giratorio para someter a su presa que también se observa en las especies de cocodrilos existentes.

«Este tipo de marca sólo se produce al morder, en el que se realizan acciones posteriores de rasgar, rodar o agarrar», señalaron los autores del estudio.

Luego, el rinoceronte fue destrozado por un tiburón tigre, que tiene dientes estrechos y no dentados. Puede ser difícil diferenciar entre depredación activa y marcas de carroñero, pero según el estudio, las marcas de mordeduras en todo el cuerpo del rinoceronte y su distribución irregular, así como la variación en profundidad, sugirieron a los investigadores que este era el comportamiento de un carroñero. como un tiburón tigre.

Los científicos confirmaron la identidad del tiburón mediante el descubrimiento de un único diente alojado en el cuello de la vaca marina que pertenecía a una especie extinta de tiburón tigre, Galeocerdo aduncus.

“Tuve que trabajar como científico forense”, recuerda Benites-Palomino.

Sin embargo, el estudio señaló que, dada la naturaleza fragmentaria del esqueleto, no era posible descartar otros escenarios para la desaparición de la vaca marina.

Dean Lomax, paleontólogo de la Universidad de Bristol y de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, que no participó en la investigación, dijo que estaba de acuerdo con los hallazgos del estudio, pero que era difícil distinguir entre el comportamiento carroñero y el comportamiento depredador activo. .

“Por ejemplo, puede que no sea descabellado pensar que el dugongo ya estaba muerto, que pudo haberse alejado flotando y estar hinchado, y luego fue devorado (recogido) por el cocodrilo y el tiburón en diferentes momentos”. dijo Lomax, el autor de “Bloqueados en el tiempo: el comportamiento animal revelado en 50 fósiles asombrosos”, por correo electrónico.

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“A menos que tengamos evidencia directa del dugongo dentro del cocodrilo (como última comida), o de que el cocodrilo y el dugongo mueran en medio del ataque, todavía es intrínsecamente raro decir al 100% si esto fue definitivamente el resultado de un ataque activo o no. que hurgar en la basura”, añadió Lomax.

En aquella época, las vacas marinas podían crecer hasta cinco metros de largo, dijo Benites-Palomino, y su tejido graso habría sido una buena fuente de alimento.

Hoy en día, los cocodrilos, las orcas y los tiburones se alimentan de dugongos y manatíes, principalmente de los jóvenes, porque los adultos son difíciles de matar debido a su tamaño. No está claro qué tipo de cocodrilo pudo haber atacado a la vaca marina. Podría haber sido una especie extinta de caimán o gavial, conocido por sus mocos largos y delgados, pero debió ser de gran tamaño, de 4 a 6 metros de largo.

“Hay varios candidatos. Sudamérica era entonces un paraíso para los cocodrilos”, añade Benites-Palomino.

Un granjero al sur de la ciudad de Coro, Venezuela, notó por primera vez los restos de la vaca marina en un lugar donde antes no se habían descubierto fósiles.

“Al principio no conocíamos la geología del sitio y los primeros fósiles que descubrimos fueron trozos de cráneos. Nos tomó algún tiempo determinar qué eran: cráneos de manatí, que tienen una apariencia bastante inusual”, dijo en un comunicado Marcelo Sánchez-Villagra, coautor del estudio, profesor de paleobiología y director del Instituto y Museo Paleontológico de. la Universidad de Zúrich.

Benites-Palomino dijo que el raro hallazgo demuestra la importancia de la búsqueda de fósiles en América del Sur «no clásica».

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“Hemos estado visitando los mismos sitios de fósiles en América del Norte y China durante mucho tiempo, pero cada vez que trabajamos en estas nuevas áreas, encontramos constantemente nuevos fósiles. »

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Huellas de dinosaurios idénticas descubiertas en dos continentes

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Huellas de dinosaurios idénticas descubiertas en dos continentes

A ambos lados del océano Atlántico, a más de 6.000 kilómetros de distancia, investigadores han descubierto huellas dejadas por dinosaurios que pudieron haber vagado desde África hasta América del Sur cuando los continentes estaban unidos en un supercontinente.

Las más de 260 huellas, ubicadas en Brasil y Camerún, serían parte del Período Cretácico Inferiorsegún un estudio publicado el lunes por el Museo de Historia Natural y Ciencia de Nuevo México.

Las huellas se crearon originalmente a unas 621 millas de distancia sobre una fina capa de limo y arenisca de barro en el antiguo supercontinente Gondwanan, que luego se rompió y formó el Océano Atlántico Sur.

El estudio compartió fotografías de huellas de formas idénticas que parecían provenir de edades y entornos geológicos similares, según descubrió el paleontólogo de la Universidad Metodista del Sur y autor principal del estudio, Louis L. Jacobs.

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