Los científicos chocaron átomo contra átomo y desataron un monstruo magnético. Un experimento innovador ha creado un campo tan fuerte que podría eclipsar el alcance de una estrella de neutrones. Los imanes giratorios pueden crear una levitación que es casi imposible para la física. Por primera vez, los físicos entendieron claramente cómo los átomos individuales se comportan como ondas.
El universo es un lugar de fuertes extremos magnéticos. Los magnetares, por ejemplo, pueden generar campos magnéticos de más de 100 billones de gauss; en comparación, el imán de su refrigerador produce un campo de sólo 100 gauss. Este magnetismo extremadamente intenso puede distorsionar la forma de la estrella hasta el punto de que la estrella emite ondas gravitacionales al universo. Pero este campo magnético que altera el espacio-tiempo ni siquiera se acerca al poder de los campos generados en el mundo cuántico.
El campo magnético creado por los científicos era unas 10.000 veces más fuerte que el de un magnetar
Una nueva investigación del experimento Solenoidal Tracker del Laboratorio Nacional Brookhaven en RHIC (STAR) utilizando el Colisionador Relativista de Iones Pesados en Upton, Nueva York, ha detectado un campo magnético “súper fuerte” dentro del plasma de quarks y gluones formado después de que el centro se apagara. de núcleos atómicos pesados. Según los resultados publicados la semana pasada en la revista Physical Review X, este campo magnético era aproximadamente 10.000 veces más fuerte que el de un magnetar.
“Estas cargas positivas de rápido movimiento deberían generar un campo magnético muy fuerte, que se prevé sea de 10 18 gauss”, dijo en un comunicado de prensa el coautor Gang Wang, físico de STAR en UCLA. “Este es probablemente el campo magnético más fuerte de nuestro Universo”.
Utilizando un RHIC del tamaño de una casa, los científicos rastrearon las trayectorias de colisión de iones pesados (como el oro) después de una colisión descentrada. Las teorías predicen que tal colisión crearía un fuerte campo magnético: algunos protones cargados positivamente y neutrones neutros que no participaron en la colisión se arremolinarían en el plasma de quarks y gluones resultante a medida que pasaran a una velocidad cercana a la de la luz.
Después de descartar otras causas de un campo magnético tan fuerte, los investigadores descubrieron una “desviación dependiente de la carga” que sólo podía ser causada por un fenómeno conocido como inducción de Faraday (llamado así en honor al famoso pionero del electromagnetismo del siglo XIX). Esta inducción específica sólo puede ser causada por la rápida decadencia de un fuerte campo magnético. La interacción afectó la trayectoria de las partículas cargadas, que luego los científicos pudieron medir.
Vista desde arriba de una colisión descentrada. La figura (B) representa un campo magnético súper fuerte a medida que decae, que induce una corriente eléctrica a través de la inducción de Faraday. Esto afecta la trayectoria de las partículas cargadas capturadas por el RHIC. La magnitud de la desviación está relacionada con la conductividad del plasma de quarks-gluones.
Y eso es bueno, porque a diferencia de los magnetares, que simplemente producen potentes campos magnéticos durante toda su vida, estos campos magnéticos superfuertes resultantes de colisiones descentradas sólo ocurren durante diez millonésimas de milmillonésima o milmillonésima de segundo. Esto hace que sea imposible capturarlo por sí solo, pero su efecto se puede ver en la dispersión resultante de partículas subatómicas.
“Podemos inferir el valor de la conductividad a partir de nuestras mediciones del movimiento colectivo”, dijo en un comunicado de prensa el coautor Diyu Shen, físico de STAR de la Universidad de Fudan en China. “El grado en que las partículas se desvían depende directamente de la fuerza del campo electromagnético y la conductividad en el QGP, y nadie ha medido la conductividad del QGP antes”.
Comprender las propiedades del plasma de quarks y gluones ayuda a los físicos a comprender cómo era el Universo momentos después del Big Bang, antes de que los quarks y gluones en movimiento libre se fusionaran en hadrones (protones y neutrones) que formaran átomos. Estas colisiones también deberían ayudar a los expertos a estudiar la complejidad del efecto de quiralidad magnética (CME).
Resulta que los imanes giratorios pueden crear una levitación casi imposible para la física
La gravedad no se tiene en principio en cuenta en el nuevo principio de levitación magnética basado en la rotación que se está desarrollando. Esta levitación estabilizada por giro utiliza un imán giratorio para estabilizar el imán levitante y bloquearlo en su lugar.
La levitación magnética ya se utiliza en todo el mundo y el nuevo principio tiene aplicaciones que implican la manipulación de objetos sin contacto.
La gravedad esencialmente no es parte de la ecuación física cuando entra en juego la levitación estabilizada por giro. A medida que continúa la investigación para desarrollar un nuevo tipo de levitación magnética, que consiste en un imán de rotor giratorio que hace levitar un flotador sobre él, los científicos han llegado a la conclusión de que este nuevo tipo de levitación antigravedad tiene aplicaciones en el mundo real.
Demostrado por primera vez en 2021 por el ingeniero electrónico turco Hamdi Ukar, un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Dinamarca amplió el concepto de contragravedad y publicó sus hallazgos en la revista Physical Review Applied en octubre de 2023. En su investigación, el equipo demostró lo fácil que es crear y replicar este concepto.
También mostraron qué física asombrosa e inesperada hace que suceda todo este proceso.
La levitación magnética (a veces llamada maglev) ya se ha observado en todo el mundo, desde trenes flotantes hasta vagones de alta velocidad. Pero la levitación estabilizada por giro podría simplificar los usos futuros de la levitación magnética debido a su compatibilidad con el diseño sin contacto. Los modelos modernos de levitación magnética requieren sistemas de control para suministrar fuerza magnética y conducir flujos de energía. En cambio, este nuevo enfoque sólo requiere girar un imán para mantener el otro en su lugar.
“Los imanes no deberían colgarse cuando se colocan cerca unos de otros”, afirmó Rasmus Björk, líder del estudio y físico de TU-Denmark, según The Debrief. “Por lo general, se atraen o se repelen. Pero si giras uno de los imanes, resulta que puedes lograr una congelación real. Y esto es lo más extraño. La fuerza sobre los imanes no debería cambiar sólo porque haces girar uno de ellos, por lo que parece haber una relación entre el movimiento y la fuerza magnética”.
El imán del rotor gira. Si el motor puede mantener el imán del rotor en movimiento, puede hacer el trabajo de mantener levitado otro imán, llamado flotador. “Descubrimos que cuando se produce la levitación”, escriben los autores en el estudio, “la frecuencia del imán del flotador está sincronizada con el imán del rotor y, sorprendentemente, la magnetización del flotador está orientada cerca del eje de rotación del polo del imán del rotor”. .”
¿Pero por qué? Bueno, contrariamente a lo que cabría esperar de las leyes de la magnetostática, resulta que el flotador alinea su magnetización esencialmente perpendicular al campo magnético del rotor.
“Es bastante sorprendente que la levitación magnética se desarrolle en un sistema tan relativamente simple”, dijo Björk a Physics World.
Este descubrimiento significa que el flotador puede levitar de manera estable debido a la interacción. “Todo el mundo entiende intuitivamente que la fuerza magnetostática que un imán ejerce sobre otro puede ser atractiva o repulsiva”, dijo a Physics World Frederic Laust Durhus, líder del estudio y físico de TU-Denmark. “Sin rotación, un imán libre girará, por lo que la fuerza se volverá puramente atractiva y luego los imanes chocarán entre sí. Lo que hace que el nuevo sistema de levitación magnética sea tan especial es que la rotación misma permite que el flotador permanezca en una configuración contradictoria, casi perpendicular al campo del flotador, donde la fuerza magnetostática lo atrae y repele simultáneamente”.
Una configuración de este tipo podría resultar útil para todo, desde la captura de partículas magnéticas hasta aplicaciones robóticas sin contacto, gracias a una configuración significativamente simplificada en comparación con los sistemas que dependen de la corriente.
“La clave de nuestro experimento que demuestra la levitación magnética”, dijo Björk a Física, “es lo extremadamente sencillo que es de implementar”.
En busca de la gravedad cuántica
La levitación de imanes a temperaturas bajo cero podría conducir a descubrimientos espaciales revolucionarios. Einstein no pudo descifrar el código de la gravedad cuántica. Los científicos están un paso más cerca. Aunque tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza se pueden encontrar en el mundo cuántico, la gravedad sigue siendo la única ajena.
Un nuevo experimento realizado por un equipo internacional de científicos europeos ha registrado la medida de gravedad más pequeña jamás registrada: sólo 30 attoNewtons (aN).
Al medir una partícula que pesa sólo 0,43 mg, futuras mediciones podrían penetrar el mundo cuántico y revelar la siempre esquiva gravedad cuántica.
La teoría de la relatividad general de Einstein ha ayudado a redefinir nuestra comprensión de cómo los cuerpos masivos del universo interactúan e influyen en la estructura del espacio-tiempo, y la teoría cuántica de campos define el mundo atómico.
Si bien estas dos teorías describen bien sus mundos (aunque siempre se puede mejorar), no encajan bien entre sí, lo cual es todo un problema si se quiere unificar la física del cosmos bajo un conjunto de teorías y reglas. Mientras que el mundo físico contiene evidencia de cuatro fuerzas fundamentales (electromagnetismo, fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y gravedad), el mundo cuántico exhibe sólo las tres primeras. Es por eso que los físicos han estado buscando evidencia relacionada con la gravedad cuántica durante casi un siglo.
Esta búsqueda de la gravedad cuántica ha desconcertado a las mentes más brillantes, incluido el propio Einstein, quien dijo en su Teoría General de la Relatividad que no existía ningún experimento para probar la gravedad cuántica. Aunque Einstein fue uno de los físicos más talentosos que jamás haya existido, sus predicciones no siempre se hicieron realidad. Einstein alguna vez pensó que probablemente era imposible detectar ondas gravitacionales, y ahora LIGO tiene una lista cada vez mayor de ellas. Entonces, ¿podría Einstein estar equivocado acerca de los experimentos de gravedad cuántica?
Un equipo internacional de científicos de la Universidad británica de Southampton, la Universidad de Leiden en los Países Bajos y el Instituto Italiano de Fotónica y Nanotecnología están ansiosos por descubrirlo. En un nuevo estudio publicado en la revista Science Advances, el equipo detalla el proceso innovador mediante el cual descubrieron la gravedad más pequeña jamás registrada. Se detectó gravedad en una pequeña partícula que medía sólo 0,43 mg. No es exactamente un mundo cuántico, pero es tan pequeño que casi está adyacente a él.
“Durante un siglo, los científicos han intentado, sin éxito, comprender cómo funcionan juntas la gravedad y la mecánica cuántica”, dijo en un comunicado de prensa Tim Fuchs de la Universidad de Southampton, autor principal del estudio. “Ahora hemos medido con éxito las señales gravitacionales en la masa más pequeña jamás registrada, lo que significa que estamos un paso más cerca de comprender definitivamente cómo funciona en conjunto. A partir de aquí comenzaremos a reducir la fuente utilizando esta técnica hasta llegar al mundo cuántico en ambos lados”.
Como la mayoría de los avances en el mundo cuántico, esta configuración requiere temperaturas ultrabajas: sólo una centésima de grado por encima del cero absoluto. Esta baja temperatura, combinada con dispositivos superconductores llamados trampas, permitió que la muestra levitara. Según el comunicado de prensa, gracias al “avanzado aislamiento de vibraciones”, los sensibles instrumentos pudieron detectar un débil empuje de sólo 30 attoNewtons (aN), es decir, una milmillonésima de una milmillonésima de Newton (al igual que un attosegundo es una milmillonésima de Newton). de un segundo). Si los científicos pueden continuar ampliando los límites sobre cuán pequeñas pueden ser las mediciones gravitacionales, pronto podrán pasar al reino cuántico.
“Nuestra nueva técnica, que utiliza temperaturas extremadamente bajas y dispositivos para aislar la vibración de las partículas, probablemente sea prometedora para medir la gravedad cuántica”, dijo en un comunicado de prensa Hendrik Ulbricht de la Universidad de Southampton, coautor del estudio. “Desentrañar estos misterios nos ayudará a descubrir más misterios sobre el tejido mismo del Universo, desde las partículas más pequeñas hasta las estructuras cósmicas más grandes”.
Nuevas imágenes muestran átomos convirtiéndose en ondas cuánticas, tal como predijo Schrödinger
Una nueva técnica de imágenes que captura átomos de litio congelados transformándose en ondas cuánticas podría usarse para explorar algunos de los aspectos menos comprendidos del mundo cuántico. Los científicos que inventaron la técnica de imágenes publicaron sus hallazgos en el servidor de preimpresión arXiv, por lo que su investigación aún no ha sido revisada por pares.
Por primera vez, los físicos entendieron claramente cómo los átomos individuales se comportan como ondas.
La imagen muestra puntos rojos nítidos de átomos fluorescentes que se convierten en manchas borrosas de paquetes de ondas, lo que demuestra la idea de que los átomos existen como partículas y ondas, una de las piedras angulares de la mecánica cuántica.
La imagen muestra átomos de litio enfriados hasta casi el cero absoluto como puntos rojos. Combinando varias de estas imágenes, los autores pudieron observar cómo los átomos se comportan como ondas. Verstraeten et al.
“La naturaleza ondulatoria de la materia sigue siendo uno de los aspectos más sorprendentes de la mecánica cuántica”, escriben los investigadores en el artículo. Añaden que su nueva técnica podría utilizarse para obtener imágenes de sistemas más complejos, lo que proporcionaría información sobre algunas cuestiones fundamentales de la física.
Propuesto por primera vez por el físico francés Louis de Broglie en 1924 y ampliado por Erwin Schrödinger dos años después, el dualismo onda-partícula afirma que todos los objetos de tamaño cuántico, y por tanto toda la materia, existen como partículas y ondas simultáneamente.
Los físicos suelen interpretar la famosa ecuación de Schrödinger como la afirmación de que los átomos existen como paquetes de probabilidad ondulatoria en el espacio, que luego colapsan en partículas discretas cuando se observan. Esta extraña propiedad del mundo cuántico, aunque contraintuitiva, ha sido confirmada en numerosos experimentos.
Para capturar esta dualidad confusa, los físicos primero enfriaron átomos de litio a temperaturas cercanas al cero absoluto bombardeándolos con fotones, o partículas de luz, de un láser para despojarlos de su impulso. Una vez que los átomos se enfriaron, los nuevos láseres los capturaron en una red óptica en paquetes discretos.
A medida que los átomos se enfriaban y quedaban confinados, los investigadores apagaban y encendían periódicamente la red óptica, expandiendo los átomos desde un estado confinado similar a una partícula a un estado similar a una onda y luego nuevamente.
La cámara del microscopio registró la luz emitida por los átomos en estado de partícula en dos momentos diferentes, comportándose los átomos como ondas en el medio. Recopilando muchas imágenes, los autores trazaron la forma de esta onda y observaron cómo se expandía con el tiempo, en total coherencia con la ecuación de Schrödinger.
“Esta técnica de imágenes consiste en volver a encender la rejilla para proyectar cada paquete de ondas en un único pozo para convertirlo nuevamente en una partícula; ya no es una onda”, dijo el coautor del estudio Tariq Yefsa, físico del Centro Nacional Francés. en Investigación Científica y la Ecole Normale Supérieure de París, dijo a WordsSideKick.com. “Se puede pensar en nuestro método de obtención de imágenes como una forma de medir la densidad de la función de onda, no muy diferente de los píxeles de una cámara CCD”. Una cámara CCD es un tipo común de cámara digital que utiliza un dispositivo de carga acoplada para capturar imágenes.
Los científicos dicen que esta imagen es sólo una simple demostración. Su próximo paso será utilizarlo para estudiar sistemas de átomos que interactúan fuertemente, que están menos estudiados.
“El estudio de estos sistemas puede mejorar nuestra comprensión de estados extraños de la materia, como los que se encuentran en los núcleos de estrellas de neutrones extremadamente densas o en el plasma de quarks y gluones que se cree existió poco después del Big Bang”, dijo Yefsa.