En el corazón un ordenador, por ejemplo, se encuentra un diminuto dispositivo cristalino diseñado para cambiar entre dos estados que indican diferentes respuestas: 'sí' o 'no,' 'arriba' o 'abajo', etc. El desafío práctico es encontrar un mecanismo que permita la conmutación en un dispositivo pequeño, rápido y económico.

Un camino a seguir podría ser esta nueva tecnología diseñada por investigadores de la Universidad de Tel Aviv que propone una forma de almacenar información eléctrica en la unidad más delgada conocida por la ciencia.

Del millón de átomos a dos átomos

Los dispositivos de última generación actuales consisten en pequeños cristales que contienen solo alrededor de un millón de átomos (alrededor de cien átomos de altura, ancho y grosor). Con el nuevo avance tecnológico, los investigadores pudieron, por primera vez, reducir el grosor de los dispositivos cristalinos a solo dos átomos. Por lo tanto, puede mejorar significativamente los dispositivos electrónicos en términos de velocidad, densidad y consumo de energía.

En el estudio, los investigadores utilizaron un material bidimensional: capas de boro y nitrógeno de un átomo de espesor, dispuestas en una estructura hexagonal repetitiva. En su experimento, pudieron romper la simetría de este cristal al ensamblar artificialmente dos de esas capas, tal y como explica Moshe Ben Shalom, de la Universidad de Tel Aviv y couator del estudio:

En su estado tridimensional natural, este material está formado por una gran cantidad de capas colocadas una encima de la otra, con cada capa rotada 180 grados con respecto a sus vecinas (configuración antiparalela). En el laboratorio, pudimos apilar artificialmente las capas en una configuración paralela sin rotación, lo que hipotéticamente coloca átomos del mismo tipo en una superposición perfecta a pesar de la fuerte fuerza repulsiva entre ellos (resultante de sus cargas idénticas).

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Un estudiante logra fotografiar un átomo individual con una cámara ordinaria

Ben Shalom observa que la presencia de una polarización tan estable en un sistema de dos átomos de espesor podría ser muy útil para los esfuerzos por miniaturizar dispositivos electrónicos no volátiles. A escala atómica, los electrones pueden hacer un túnel cuántico de manera eficiente a través de las dos capas, y este mecanismo de túnel se puede utilizar para leer y escribir rápidamente la polarización. Mirando a más largo plazo, sugiere que el deslizamiento mecánico lateral y los mecanismos de conmutación de polarización perpendicular observados en este estudio, pueden incluso tener aplicaciones más allá de lo que podemos predecir hoy.

Un equipo de la Universidad de Cornell dirigido por el profesor de Ingenieria David Muller ha superado su propio récord anterior de 2018, presentando la imagen más nítida de un átomo.

Con un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD) junto sofisticados algoritmos de reconstrucción 3D se ha alcanzado asíi alcanzado un régimen que va a ser efectivamente un límite máximo para la resolución.

Límite máximo

La imagen ultraprecisa con una precisión de picómetro (una billonésima de metro) se ha logrado con un detector está ligeramente desenfocado, difuminando el haz, para capturar la mayor variedad de datos posible. Luego, estos datos se reconstruyen a través de algoritmos complejos. Tal y como explica Muller:

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Con estos nuevos algoritmos, ahora podemos corregir todo el desenfoque de nuestro microscopio hasta el punto de que el factor de desenfoque más grande que nos queda es el hecho de que los átomos mismos se bambolean, porque eso es lo que les sucede a los átomos a una temperatura finita. Cuando hablamos de temperatura, lo que en realidad estamos midiendo es la velocidad promedio de cuánto se mueven los átomos.

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Se confirma que el electrón es perfectamente esférico

Esto podría ser particularmente útil para obtener imágenes de semiconductores, catalizadores y materiales cuánticos, incluidos los que se usan en la computación cuántica.

Los investigadores posiblemente podrían volver a superar su récord utilizando un material que consta de átomos más pesados, que se tambalean menos, o enfriando la muestra, pero la mejora ya no sería especialmente significativa.

Actualmente, producimos 10 elevado a 21 bits digitales de información anualmente en la Tierra. Suponiendo una tasa de crecimiento anual del 20%, en el siguiente estudio se ha estimado que, transcurridos 350 años a partir de ahora, el número de bits producidos superará el número de todos los átomos de la Tierra, es decir, 10 elevado a 50.

Dentro de 300 años, la energía requerida para sostener esta producción digital superará los 18.5 × 10 elevado a 15 W, es decir, el consumo total de energía planetaria actual, y dentro de 500 años, el contenido digital representará más de la mitad de la masa de la Tierra, según al principio de equivalencia masa-energía-información en la teoría de la relatividad general de Einstein.

Bits VS átomos

Para realizar estas estimaciones se han empleado las densidades de almacenamiento de datos actuales, el número de bits producidos por año y el tamaño de un bit en comparación con el tamaño de un átomo, a una tasa de crecimiento anual del 50%.

Nuestro progreso tecnológico, pues, está redistribuyendo la materia de la Tierra de los átomos físicos a la información digital: el quinto estado de la materia, junto con líquido, sólido, gas y plasma.

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Claude Shannon, cuando el padre de la información estimó la información de nuestro ADN

Según vaticina el autor principal del estudio, Melvin Vopson, profesor en la Escuela de Matemáticas y Física de la Universidad de Portsmouth, el límite inminente en la cantidad de bits, la energía para producirlos y la distribución de la masa física y digital abrumarán al planeta pronto:

Literalmente estamos cambiando el planeta poco a poco, y es una crisis invisible. Según IBM y otras fuentes de investigación de big data, el 90% de los datos del mundo en la actualidad se han creado solo en los últimos 10 años. De alguna manera, la pandemia actual de COVID-19 ha acelerado este proceso a medida que se utiliza y produce más contenido digital que nunca antes.

Curiosamente, a fecha de hoy ya hemos superado el número de átomos de materia elaborada por nosotros (tecnoesfera) frente a materia viva, como podéis ver en el siguiente vídeo:

En el límite entre el movimiento clásico y el efecto túnel cuántico, un equipo de investigadores de Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) y EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana) han desarrollado un motor molecular que consta de solo 16 átomos (100 000 veces más fino que un pelo) y gira de manera confiable en una dirección.

Menos de un nanómetro

El motor mide menos de un nanómetro. Al igual que un motor a gran escala, el motor de 16 átomos consta de un estator y un rotor, es decir, una parte fija y una parte móvil. El rotor gira sobre la superficie del estator. Puede ocupar seis posiciones diferentes.

En el mundo macroscópico, un trinquete (mecanismo que permite a un engranaje girar hacia un lado, pero le impide hacerlo en sentido contrario) se mueve hacia arriba por el borde plano y se bloquea en la dirección del borde empinado. Por el contrario, un motor atómico, como opera a nivel microscópico, requiere menos energía para subir el borde empinado de la rueda dentada que en el borde plano. Por lo tanto, el movimiento es prácticamente posible solo en una dirección.

Hace unos años, ya se había construido un nanomotor impulsado químicamente con 78 átomos, lo que permite que un ordenador diminuto pueda navegar por un cuerpo humano buscando tumores en su etapa más temprana, por ejemplo. Ben Feringa, de la Universidad de Groningen, en Holanda, construyó otro motor aún más pequeño: 58 átomos, y además impulsado por energía solar.

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Se concible el acelerómetro más pequeño del mundo: nuevas posibilidades para wearables

Estos motores moleculares también existen en la naturaleza, por ejemplo en forma de miosinas: proteínas motoras que juegan un papel importante en los organismos vivos en la contracción de los músculos y el transporte de otras moléculas entre las células.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Leeds ha medido el grosor del oro en 0,47 nanómetros, un millón de veces más delgado que una uña humana, o lo que vienen siendo dos átomos de grosor, aproximadamente, confirmando así que estamos ante oro sin soporte más fino jamás creado.

El material se considera 2D porque comprende solo dos capas de átomos que se encuentran una encima de la otra.

Aplicaciones médicas

La síntesis de la nanocapa de oro se lleva a cabo en una solución acuosa y comienza con ácido cloroaúrico, una sustancia inorgánica que contiene oro. Se reduce a su forma metálica en presencia de un 'agente de confinamiento', una sustancia química que alienta al oro a formarse como una lámina. Pero ¿para qué sirve algo así?

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El oro que nos permite explorar el universo es el mismo que constituye lo Oscar

El oro ultrafino es 10 veces más eficiente como sustrato catalítico que las nanopartículas de oro utilizadas actualmente, de modo que el material podría tener aplicaciones a gran escala en las industrias de dispositivos médicos y electrónica, y también como catalizador para acelerar las reacciones químicas en una variedad de procesos industriales.

Debido a las dimensiones a nanoescala del oro, aparece verde en el agua. Según explica el autor principal del artículo, Sunjie Ye, del Grupo de Física Molecular y Nanoescala de Leeds:

No solo abre la posibilidad de que el oro pueda usarse de manera más eficiente en las tecnologías existentes, sino que también proporciona una ruta que permitiría a los científicos de materiales desarrollar otros metales en 2-D. Este método podría innovar en la fabricación de nanomateriales.

Más fuerte y más flexible que el grafeno, una capa de boro de un solo átomo podría revolucionar los sensores, las baterías y la química catalítica. El llamado borofeno es un alótropo cristalino propuesto para el boro.

El borofeno tiene una estructura de átomos de boro hexagonal (similar a la de los átomos de carbono en el grafeno), pero con un átomo de boro adicional en el centro de cada hexágono. Fue fabricado hace apenas dos o tres años.

Predicho en 1990

Los electroquímicos creen que el borofeno podría convertirse en el material del ánodo en una nueva generación de baterías de iones de litio más potentes. Los químicos están fascinados por sus capacidades catalíticas. Y los físicos están probando sus habilidades como sensor para detectar numerosos tipos de átomos y moléculas.

Los físicos primero predijeron su existencia en la década de 1990 utilizando simulaciones por ordenador para mostrar cómo los átomos de boro podrían formar una monocapa. Pero esta sustancia exótica no se sintetizó hasta 2015, utilizando deposición química de vapor. Este es un proceso en el que un gas caliente de átomos de boro se condensa en una superficie fría de plata pura.

Desde la síntesis del borofeno, los químicos han estado caracterizando ansiosamente sus propiedades. El borofeno resulta ser más fuerte que el grafeno y más flexible. Es un buen conductor de electricidad y calor, y también es superconductor. Estas propiedades varían según la orientación del material y la disposición de las vacantes. Esto lo hace "ajustable", al menos en principio. Esa es una de las razones por las que los químicos están tan emocionados.

Los átomos de hidrógeno también se adhieren fácilmente a la estructura de una sola capa del borofeno, y esta propiedad de adsorción, combinada con el enorme área de superficie de las capas atómicas, hace del borofeno un material prometedor para el almacenamiento de hidrógeno. Los estudios teóricos sugieren que el borofeno podría almacenar más del 15% de su peso en hidrógeno, superando significativamente a otros materiales.

Luego está la capacidad del borofeno para catalizar la descomposición del hidrógeno molecular en iones de hidrógeno, y el agua en iones de hidrógeno y oxígeno. Eso podría marcar el comienzo de una nueva era de ciclos de energía basados en el agua.

Sin embargo, los químicos tienen mucho trabajo que hacer antes de que el borofeno se pueda usar más ampliamente. Para empezar, todavía tienen que encontrar una manera de hacer borofeno en grandes cantidades. Y la reactividad del material significa que es vulnerable a la oxidación, por lo que debe protegerse cuidadosamente. Ambos factores hacen que el borofeno sea caro de fabricar y difícil de manejar. Así que hay trabajo por delante.

Se define la línea de Kármán como el límite entre atmósfera y espacio exterior, a efectos de aviación y astronáutica. Su altura fue estimada en 100 km sobre el nivel del mar por Theodore von Kármán, calculando la altura a la que la densidad de la atmósfera se vuelve tan baja que la velocidad de una aeronave para conseguir sustentación aerodinámica mediante alas y hélices debería ser equiparable a la velocidad orbital para esa misma altura.

Es decir, que es una definición subjetiva y pragmática, pero no real. La atmósfera va mucho más allá. De hecho, llega más allá que la Luna.

Densidad de hidrógeno

Nuestra atmósfera se extiende más allá de la órbita lunar en forma de nube de átomos de hidrógeno (llamada geocorona), hasta alcanzar dos veces la distancia a nuestro satélite natural. No es una nube muy densa, pero existe: solo 70 átomos por centímetro cúbico a 60.000 kilómetros de la superficie terrestre, y unos 0,2 átomos a la distancia de la Luna.

Es decir, que la capa de gas que envuelve la Tierra tiene un radio de 630.000 kilómetros, 50 veces el diámetro de nuestro planeta.

Son los datos que se han obtenido gracias a Observatorio Heliosférico y Solar (SOHO) de la ESA/NASA. Y no constituyen solamente una curiosidad (anda, la Luna orbita atravesando nuestra atmósfera), sino que esto resulta de especial interés cuando buscamos planetas con posibles depósitos de agua más allá de nuestro Sistema Solar.

Por primera se ha observado vez la transición electrónica Lyman-alpha, que se produce en el hidrógeno, en un átomo de antihidrógeno, la contraparte de la antimateria del hidrógeno, por parte de investigadores de la Universidad de Swansea que trabajan en el laboratorio de física de partículas del CERN.

Esta observación podría suponer el descubrimiento de diferencias aún no vistas entre el comportamiento de la materia y la antimateria.

Lyman-alpha

El equipo ALPHA produce átomos de antihidrógeno al tomar antiprotones del Decelerador Antiprotón (AD) del CERN y unirlos con positrones de una fuente de sodio-22. A continuación, se confina los átomos de antihidrógeno resultantes en una trampa magnética, lo que les impide entrar en contacto con la materia.

En el experimento, se acumularon alrededor de 500 átomos de antihidrógeno en la trampa. Al iluminar los átomos atrapados con varios colores de luz ultravioleta, se pudo excitar los átomos de antihidrógeno. Estos átomos excitados ya no están atrapados dentro del aparato y, al estar compuestos de antimateria, se anulan rápidamente con la materia circundante del equipo y se detectan.

El hallazgo quizás podría arrojar luz sobre por qué el universo está compuesto casi por completo de materia, aunque se debieron haber producido cantidades iguales de antimateria en el Big Bang.

Tal y como asegura el portavoz de ALPHA, Jeffrey Hangst, el siguiente paso es el enfriamiento por láser, que en su opinión "cambiará las reglas del juego para la espectroscopía de precisión y las mediciones gravitacionales".

En el ámbito de la Estación Espacial Internacioal (ISS) se ha logrado crear el punto más frío del universo con un laboratorio que ha empezado a producir nubes de átomos a temperatura justo por encima del cero absoluto, la temperatura más baja que se puede obtener debido a las leyes de la física, pues es el punto en el cual los átomos teóricamente deberían dejar de moverse por completo (-273,15 grados Celsius).

ISS

El Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA se instaló en el laboratorio de ciencias de Estados Unidos de la estación a fines de mayo y ahora produce dichas nubes de átomos ultrafrías, conocidas como condensados de Bose-Einstein (BEC). Esta es la primera vez que los BEC se han producido en órbita.

En el CAL, Los átomos se enfrían a aproximadamente 10 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto, o alrededor de 10 mil millones de veces más frías que la temperatura promedio del espacio profundo. A esas temperaturas, los átomos se comportan de maneras extrañas.

Esta instalación de la NASA es la primera de su tipo en el espacio. Está diseñado para avanzar en la capacidad de los científicos para realizar mediciones de precisión de la gravedad. Según explica Robert Thompson, científico del proyecto CAL y físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California:

Tener un experimento BEC operando en la estación espacial es un sueño hecho realidad. Ha sido un camino largo y difícil para llegar aquí, pero vale la pena la lucha, porque hay mucho que podemos hacer con esta instalación.

Hay más experimentos BEC existen en la Tierra, pero en la Estación Espacial Internacional, libres de la atracción de la gravedad, los científicos podrán observar BEC durante mucho más tiempo.

La NASA está enviando un dispositivo a la Estación Espacial Internacional (ISS) que creará un punto diez mil millones de veces más frío que el vacío del espacio.

Se llama Cold Atom Laboratory, un aparato del tamaño de un cofre a bordo del cohete Cygnus del ATK Orbital, y ayudará a los científicos a observar las extrañas propiedades cuánticas de los átomos ultrafríos.

Temperatura

Se usará una combinación de láseres e imanes para enfriar y desacelerar una nube de átomos a solo una fracción por encima del cero absoluto, también conocido como cero Kelvin (-273.15 Celsius o -459.67 Fahrenheit).

El cero absoluto es la temperatura más fría que se puede alcanzar en el Universo, y es imposible de alcanzar porque en ese punto, los átomos dejan de moverse. Sin embargo, el Cold Atom Laboratory (CAL) puede enfriar nubes de átomos a tan solo una décima parte del cero absoluto, lo que hace que se muevan extremadamente despacio, manifestando fenómenos cuánticos microscópicos.

Estas nubes se llaman condensados ​​de Bose-Einstein. Se pueden crear en la Tierra, pero la gravedad supone un problema: las arrastra hacia abajo muy rápidamente, por lo que solo se pueden observar durante una fracción de segundo. El entorno de microgravedad a bordo de la ISS superará este problema, permitiendo a los científicos de la Tierra operar el equipo de forma remota para observar los átomos hasta 10 segundos.

Si podemos comprender mejor la física de los superfluidos, posiblemente podamos aprender a utilizarlos para una transferencia de energía más eficiente.