1. Logran codificar informacin cuntica en silicio usando pulsos elctricos simples

Por vez primera se ha conseguido usar pulsos elctricos simples para codificar informacin cuntica en silicio.

Este control elctrico de bits cunticos en el silicio abre un camino ms practicable hacia la construccin futura

de computadoras cunticas con envergadura suficiente como para resultar operativas en el mbito prctico.

El equipo internacional de Andrea Morello y Arne Laucht, de la Universidad de Nueva Gales del Sur en

Australia, ha demostrado que un qubit (bit cuntico) muy coherente, como lo es el espn de un solo tomo de

fsforo en silicio isotpicamente enriquecido, se puede controlar mediante el uso de campos elctricos, en vez

de tener que recurrir a utilizar pulsos de campos magnticos oscilantes.

El mtodo funciona mediante la distorsin de la forma de la nube de electrones unida al tomo, utilizando un

campo elctrico muy localizado. Esta distorsin en el nivel atmico tiene el efecto de modificar la frecuencia a

la que responde el electrn. Por lo tanto, se puede elegir selectivamente el qubit con el que operar. Esta

disponibilidad es comparable a la que nos ofrece el tpico sintonizador de radio con el que escoger qu emisora

escuchamos. Aqu, el sintonizador es la tensin aplicada a un pequeo electrodo colocado por encima del

tomo.

Los resultados de este trabajo pionero sugieren que sera posible controlar localmente qubits individuales

mediante campos elctricos en una computadora cuntica a gran escala utilizando tan solo generadores de

tensin de bajo costo, en vez de las caras fuentes de microondas de alta frecuencia que son ahora una de las

pocas opciones disponibles.

Una onda electrnica en un tomo de fsforo, experimentando la distorsin provocada por un campo elctrico

local.

Por otra parte, este tipo especfico de bit cuntico puede ser fabricado utilizando una tecnologa similar a la

empleada para la produccin de ordenadores convencionales como los que usamos en nuestra vida cotidiana,

reduciendo drsticamente el tiempo y el coste de fabricacin.

Los ordenadores de hoy da son binarios. Sus circuitos elctricos, que pueden estar abiertos o cerrados,

representan unos y ceros en bits binarios de informacin. En cambio, en las computadoras cunticas los

cientficos esperan usar qubits. A diferencia de los ceros y unos binarios, se puede pensar en los qubits como

flechas que representan la posicin de un bit cuntico. La flecha podra representar un uno si apunta justo hacia

arriba, o un cero si apunta justo hacia abajo, pero tambin podra representar cualquier otro nmero mediante

las direcciones intermedias a las que apuntase. Una computadora cuntica podra realizar ciertas tareas

matemticas muchos miles de millones de veces ms rpido que las supercomputadoras actuales ms potentes.

2. La fsica aplicada ayuda a descifrar las causas de la muerte sbita

Investigadores del Departamento de Fsica Aplicada de la UPC, en Espaa, junto con un equipo de la California

State University de los Estados Unidos, han demostrado por primera vez que la transicin en la alternancia

cardiaca, una arritmia potencialmente mortal, comparte caractersticas con el ordenamiento ferromagntico de

los metales. La investigacin ayuda a entender mejor cmo se origina la muerte sbita y abre la puerta a disear

nuevos frmacos para evitarla.

Las muertes sbitas cardacas representan aproximadamente el 10% de los casos de muerte natural y la mayora

se deben a la fibrilacin ventricular. En los Estados Unidos esto representa unas 300.000 muertes al ao y en

Espaa, unas 20.000. Investigadores del Departamento de Fsica Aplicada de la Universitat Politcnica de

Catalunya (UPC), junto con cientficos de la California State University han demostrado, por primera vez, que

la transicin a la alternancia cardiaca, una arritmia relacionada con un mayor riesgo de muerte sbita, comparte

caractersticas comunes con el ordenamiento ferromagntico de los metales. Esta nueva medida fsica permite

entender mejor las causas de la muerte sbita y permitir avanzar en el diseo de frmacos que puedan evitarlo.

El artculo, titulado Calcium Alternans is Due to an Order-Disorder Phase Transition in Cardiac Cells, ha sido

publicado en la revista cientfica Physical Review Letters.

Hoy en da, las enfermedades cardacas suponen una de las principales causas de muerte en los pases

desarrollados. De particular relevancia es la muerte sbita cardiaca, donde se produce una prdida brusca de la

funcin cardiaca. En situaciones normales, el corazn acta como una bomba donde el orden de contraerse y

bombear sangre se origina por pequeos cambios en las propiedades elctricas de las clulas miocrdicas. Una

parte importante de los casos de muerte sbita se deben a problemas en la sincronizacin de esta orden elctrica,

dando lugar a una contraccin desordenada del corazn conocida como fibrilacin ventricular. En este estadio,

el corazn no es capaz de bombear la sangre y la muerte ocurre en pocos minutos, a menos que se administre un

choque desfibrilador.

Uno de los posibles desencadenantes de la fibrilacin ventricular es una arritmia conocida como alternancia

cardiaca, donde la contraccin del corazn se produce de manera coordinada en cada latido, pero su intensidad

vara dando lugar a una contraccin fuerte y dbil en latidos alternativos. Para entender el origen de esta

arritmia es necesario estudiar cmo se produce la contraccin dentro de la clula, donde existen cientos de

pequeas subunidades compuestas por agrupaciones de canales que liberan iones de calcio cuando reciben la

orden elctrica. Esto es lo que marca la intensidad de la contraccin: si liberan ms calcio, la contraccin es ms

fuerte; en cambio, si casi no liberan, hay poca contraccin.

Los cientficos Enric lvarez-Lacalle y Blas Echebarria, del Departamento de Fsica Aplicada de la UPC, junto

con investigadores de la California State University, han demostrado, mediante modelos de simulacin, que la

alternancia se produce debido a un tipo de transicin que ha intrigado a los fsicos desde hace dcadas, una

transicin de desorden en el orden estudiada originalmente para entender la prdida de las caractersticas

ferromagnticas al aumentar la temperatura por encima de un umbral lmite.

Un material ferromagntico est formado por pequeos imanes que pueden enfocarse en una direccin o en

otra. Si cada uno de estos imanes apunta en una direccin diferente, es decir, si el sistema est desordenado, su

efecto magntico se anula. En cambio, por debajo de una cierta temperatura, todos los pequeos imanes

comienzan a enfocarse hacia la misma direccin y el sistema se ordena. Esto hace que todo el conjunto se

comporte como un gran imn.

En el caso del corazn, cada subunidad dentro de la clula encargada de liberar calcio puede decidir hacerlo o

no. Cuando esto sucede de una manera desordenada, hay tantas clulas que liberan como que no, y el calcio

total liberado es siempre el mismo, no vara. En cambio, en algunas situaciones se da una transicin hacia un

estado ordenado, como ocurre en los materiales ferromagnticos. En este estado, todas las clulas deciden

liberar o no liberar calcio al mismo tiempo, dando lugar a una secuencia de contracciones fuertes y dbiles y, en

ltimo caso, a una transicin hacia la fibrilacin ventricular. La conclusin parece ser que el orden, en algunos

casos, mata.

Segn los cientficos, entender bien cmo se produce la transicin que causa la muerte sbita puede ayudar a

disear frmacos que la eviten. Los resultados obtenidos de la investigacin abren la puerta a estudiar posibles

aplicaciones.

Sobre el siguiente paso de la investigacin, Blas Echebarria explica que "actualmente estamos estudiando si el

mismo efecto se observa en las clulas auriculares. Esto supondra un paso para entender la fibrilacin auricular

que, a pesar de no provocar la muerte sbita como la ventricular, conlleva un elevado riesgo de embolia y

presenta una prevalencia muy alta, sobre todo en personas mayores de 60 aos, disminuyendo su calidad de

vida ". Para ello cuentan con el apoyo de cientficos del Instituto de Ciencias Cardiovasculares de Catalua

(ICCC-CSIC), los experimentos de los que intentan modelizar. (Fuente: UPC)

3. Esponjas de silicio para mejorar las pilas de in-litio

Unos investigadores de la Universidad Rice y la empresa Lockheed Martin han encontrado una manera de

fabricar mltiples nodos de alta eficiencia a partir de una sola oblea de silicio. El proceso usa silicio para

reemplazar al grafito como un componente en las bateras recargables de in-litio.

El trabajo, dirigido por las investigadoras Sibani Lisa Biswal y Madhuri Thakur, ambas de la Universidad Rice

en Houston, Texas, abre el camino hacia bateras ms potentes y duraderas, para aplicaciones tales como la

electrnica comercial y los vehculos elctricos.

El silicio, uno de los elementos ms comunes en la Tierra, es un candidato para reemplazar al grafito como el

nodo en las bateras. En un avance tecnolgico anterior hecho por Biswal y su equipo, se comprob que el

silicio poroso absorbe 10 veces ms litio que el grafito.

Como el silicio se expande cuando absorbe iones de litio, la configuracin de tipo esponja le da espacio para

crecer internamente sin degradar el rendimiento de la batera. Este campo de aplicacin de las esponjas de

silicio, con poros de una micra de dimetro y 12 micras de profundidad, ya se identific en el 2010 por Thakur,

Biswal y Michael Wong de la Universidad Rice, y Steven Sinsabaugh de la empresa Lockheed Martin.

Una esponja de silicio.

En el nuevo trabajo, los investigadores descubrieron que el proceso electroqumico de grabado usado para crear

los poros tambin puede separar la esponja del substrato, el cual se reutiliza entonces para fabricar ms

esponjas.

En la nueva investigacin tambin han participado Roderick Pernites y Naoki Nitta de la Universidad Rice, as

como Mark Isaacson de Lockheed Martin.

4. Luz viajando a solo 180 kilmetros por hora

No es fcil enlentecer la luz que, sin nada que la refrene, viaja a 300.000 kilmetros por segundo. Algunas

tcnicas han logrado ralentizarla hasta velocidades propias de vehculos comunes, e incluso detenerla, pero es

difcil hallar un mtodo que sea lo bastante asequible y prctico como para plantearse enlentecer luz en

aplicaciones fuera de los laboratorios, como por ejemplo en el naciente campo de la tecnologa cuntica.

La luz es una herramienta de enorme utilidad para la comunicacin cuntica, pero tiene una gran y obvia

desventaja: viaja habitualmente a la velocidad de la luz y no puede ser retenida. Unos cientficos han hallado

una va asequible para resolver este problema, y no solo en sistemas cunticos exticos, sino tambin en las

redes de fibra ptica que ya se usan hoy en da.

Acoplando tomos a fibras de vidrio, el equipo de Arno Rauschenbeutel, del Centro de Ciencia y Tecnologa

Cunticas de Viena y la Universidad Tecnolgica de Viena, ambas entidades en Austria, consigui enlentecer la

luz hasta una velocidad de 180 kilmetros por hora. Estos investigadores lograron incluso detenerla por

completo y volverla a poner en marcha ms tarde.

tomos acoplados a una fibra de vidrio enlenteciendo la luz.

Partiendo de la circunstancia de que cuando la luz es enviada a travs de un medio como el vidrio o el agua se

enlentece un poco debido a su interaccin con el material, en el nuevo sistema se ha explotado este efecto hasta

un nivel extremo.

Esta tecnologa, eficaz y asequible, es un requisito previo importante para una futura internet cuntica basada en

fibra de vidrio, en la que la informacin cuntica pueda ser teletransportada a grandes distancias.

5. Superconductividad a 173 grados centgrados bajo cero

La superconductividad es un estado fsico raro en el que la materia es capaz de conducir la electricidad (o sea

mantener un flujo de electrones) sin ofrecer resistencia alguna al paso de los electrones. Este fenmeno solo

puede encontrarse en ciertos materiales bajo condiciones muy especficas. Una temperatura bajsima, muy

cercana al Cero Absoluto (la temperatura ms baja que las leyes de la fsica permiten), es la principal condicin

que define a los superconductores convencionales.

Hay otros tipos de superconductores, referidos como de altas temperaturas, que superconducen a temperaturas

bastante ms altas, aunque todava tremendamente fras si las comparamos con la temperatura ambiente que nos

resulta confortable. En muchos centros de investigacin se trabaja en la bsqueda y perfeccionamiento de

superconductores de esta clase, logrndose materiales capaces de superconducir a temperaturas cada vez ms

altas o que ofrecen pistas clave sobre cmo lograrlo. En esta carrera hacia la superconductividad a temperatura

ambiente, unos cientficos de la Universidad del Sur de California en Estados Unidos han hallado una familia de

materiales que quiz pueda acabar llevando hacia la tan ansiada superconductividad a temperatura ambiente.

Por ahora, el equipo del fsico Vitaly Kresin solo ha logrado descubrir que ciertos racimos de tomos de

aluminio, con configuraciones adecuadas (e integrados por 37, 44, 66 68 tomos) pueden hacer posible a unos

173 grados centgrados bajo cero la formacin de pares de Cooper, uno de los fenmenos principales en los que

se basa la superconductividad, y que consiste en el entrelazamiento de electrones.

Aunque esa temperatura es an muy baja, estamos ante un enorme incremento comparado con el aluminio

normal, que se convierte en superconductor solo a una temperatura de cerca de 272 grados centgrados bajo

cero, o sea tan solo 1 grado por encima del Cero Absoluto.

Lo ms importante de esta investigacin es que abre la posibilidad de que otros tipos de racimos de tomos sean

capaces de superconducir a temperaturas incluso ms altas.

6. Ver y pesar molculas de una en una

Utilizando como punto de partida su creacin del primer aparato mecnico capaz de medir la masa de molculas

individuales una a una, un equipo de cientficos ha creado nanodispositivos que pueden asimismo revelar la

forma de cada molcula individual. Dicha informacin es crucial cuando se intenta identificar molculas

complejas o ensamblajes de ellas.

Al estar hechas de muchas subunidades diferentes y ms pequeas, las grandes estructuras moleculares como

por ejemplo los complejos de protenas, se pueden ensamblar de muchas formas, sin que por la masa se pueda

diferenciar entre ellas. En cambio, dado que tienen formas diferentes, realizan acciones biolgicas tambin

diferentes. Esto resulta de especial importancia en el caso de las enzimas, que median en las reacciones

qumicas del cuerpo, y en el caso de las protenas de las membranas, que controlan las interacciones de una

clula con su entorno.

Con la forma elemental de su tcnica innovadora, el equipo internacional de Michael Roukes, del Instituto

Tecnolgico de California (Caltech) en Pasadena, Estados Unidos, puede medir la masa de una molcula

individual. El dispositivo base tpico, que solo tiene un tamao de un par de millonsimas de metro o menos,

consiste en una estructura vibradora llamada resonador NEMS (siglas del trmino ingls

NanoElectroMechanical System, o sistema nanoelectromecnico). Cuando una partcula o molcula aterriza

sobre el nanodetector, la masa aadida cambia la frecuencia a la que la estructura vibra. Los cambios inducidos

en la frecuencia proporcionan informacin sobre la masa de la partcula. Pero tambin pueden ser usados para

determinar la distribucin espacial tridimensional de la masa: por ejemplo, la forma de la partcula, que es lo

que ahora han logrado Roukes y sus colegas.

Sensor de masa basado en sistemas nanoelectromecnicos (NEMS) multimodo; la ilustracin principal muestra

esquemticamente una barra vibrando (1). Debajo se muestran retratos conceptuales de los primeros seis

modos de vibracin (1-6). Los colores indican una tensin de alta (rojo) a baja (azul). El recuadro muestra una

micrografa electrnica coloreada de un resonador piezoelctrico NEMS fabricado en el Instituto Kavli de

Nanociencias del Caltech. (Imagen: M. Matheny, L.G. Villanueva, P. Hung, J. Li, M. Roukes / Caltech)

Al igual que la cuerda de una guitarra no vibra solo en una frecuencia, existe una gran cantidad de tonos

diferentes que pueden ser generados de forma simultnea en el nanodetector, y eso permite captar muchos de

ellos en tiempo real. Resulta que cuando la molcula presenta orientaciones distintas, sus armnicos son

cambiados de manera diferente. Es posible entonces reconstruir una imagen de la forma de la molcula.

En la actualidad, las estructuras moleculares son descifradas mediante cristalografa de rayos-X, una tcnica a

menudo laboriosa que implica aislar, purificar y despus cristalizar molculas, para evaluar finalmente su forma

con arreglo a los patrones de difraccin producidos cuando los rayos X interactan con los tomos que juntos

forman los cristales. Sin embargo, muchas molculas biolgicas complejas son difciles cuando no imposibles

de cristalizar. E incluso cuando pueden serlo, la estructura molecular obtenida representa la molcula en el

estado cristalino, que puede ser muy diferente de la estructura de la molcula en su forma biolgicamente

activa.