El francés Albert Fert y el alemán Meter Grünberg se han hecho con el Premio Nobel de Física 2007 por su descubrimiento de la magnetorresistencia gigante, un efecto de la mecánica cuántica que ha permitido el diseño de lectores de discos duros de ordenadores y la miniaturización de estos dispositivos, ha comunicado hoy la Real Academia de Ciencias de Suecia. El galardón premia así a la primera gran aplicación práctica de la nanotecnología (disciplina de la física dedicada al estudio de la materia de tamaño menor a un micrómetro -una millonésima parte de un metro-).

Los orbitales f (l=3) también tienen un aspecto multilobular. Existen siete tipos de orbitales f (que corresponden a m=-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3).

Una vez descritos los cuatro número cuánticos, podemos utilizarlos para describir la estructura electrónica del átomo de hidrógeno:

El electrón de un átomo de hidrógeno en el estado fundamental se encuentra en el nivel de energía más bajo, es decir, n=1, y dado que la primera capa principal contiene sólo un orbital s, el número cuántico orbital es l=0. El único valor posible para el número cuántico magnético es ml=0. Cualquiera de los dos estados de spin son posibles para el electrón. Así podríamos decir que el electrón de un átomo de hidrógeno en el estado fundamental está en el orbital 1s, o que es un electrón 1s, y se representa mediante la notación: 1s¹ en donde el superíndice 1 indica un electrón en el orbital 1s. Ambos estados de espín están permitidos, pero no designamos el estado de espín en esta notación.

Pero volvamos a la espintrónica. Otro problema de gran interés en este nuevo campo es el diseño de una nueva generación de transistores basados en el proceso de espín electrónico, los cuales deben combinar materiales ferromagnéticos y semiconductores. Para este fin, es fundamental optimizar los procesos de inyección de corrientes polarizadas de espín en semiconductores y por ello existe una gran actividad investigadora en los llamados semicondcutores magnéticos diluidos que parecen sistemas muy prometedores. Además, los fenómenos inducidos por el transporte de corrientes polarizadas de espín, tales como transferencia de momento angular del espín, la inversión de la imanación y el movimiento de paredes de dominio, son fundamentales en el diseño de nuevos dispositivos espintrónicos (generación de microondas, memorias magnéticas no volátiles…).

Por lo que hace referencia a estas temáticas, los materiales que se están estudiando en España se centran principalmente en heteroestructuras por capas delgadas y abarcan desde los óxidos magnéticos con estructuras derivadas de la perovskita hasta materiales conductores, tales como la magnetita (donde se ha estudiado los efectos magnetorresistivos y el efecto Hall anómola en capas epitaxiales) y las aleaciones tipo Heuxler, incluyendo también semiconductores magnéticos diluidos, como por ejemplo Mn-SnO₂ y Mn-GaAs.

Un grupo internacional de investigadores, liderados por la Universidad de Singapur, acaba de demostrar que numerosos problemas de la Física Cuántica, hoy por hoy irresolubles, podrían solucionarse fácilmente con un ordenador cuántico que viajara a través de “curvas temporales abiertas”. El trabajo, que ha levantado gran expectación en la comunidad científica, se publica en la revista Nature Quantum Information.

IBM prepara el primer ordenador cuántico. La máquina podría resolver problemas que las computadoras actuales ni se pueden plantear. Cuando esté completada su configuración podrá dar millones de respuestas a un problema planteado en fracciones de segundo.

Hace ya una década que el físico Dave Bacon, que en la actualidad trabaja para Google, demostró que la mejor forma de resolver rápidamente todo un grupo de problemas de la Física (llamados NP-completo) y que traían de cabeza a los matemáticos, era utilizando un ordenador cuántico que se desplazara a través del tiempo. ¿La razón? El hipotético ordenador de Bacon podría moverse con libertad a través de una serie de “curvas cerradas de tiempo”, atajos en el tejido espaciotemporal que se curvan sobre sí mismos. La relatividad general en efecto, permite que dichos caminos puedan existir a través de las contorsiones en el espacio-tiempo que conocemos como agujeros de gusano.

¿Pero para qué enviar un mensaje en el tiempo y bloquearlo después para que nadie pueda leer su contenido? Sencillamente porque el procedimiento podría ser la clave que se necesitaba para resolver problemas que, actualmente, no tienen solución alguna. Y es que incluso un mensaje “sin abrir” puede resultar tremendamente útil, especialmente si los científicos “entrelazan” el mensaje con algún otro sistema antes de enviarlo.

Como se sabe, el entrelazamiento cuántico es un efecto extraño que es posible solo en el mundo de la Física subatómica, y consiste en una suerte de “comunicación instantánea” entre partículas que, como si fueran hermanos gemelos diminutos, “saben” al instante lo que le ha sucedido a las demás partículas entrelazadas y reaccionan al instante, sin importar la distancia que las separe. Y lo que proponen los investigadores es precisamente eso, crear un entrelazamiento entre el mensaje enviado a través del tiempo y el sistema del laboratorio. Una correlación que podría alimentar y potenciar la computación cuántica.

Sin embargo, las curvas temporales cerradas conllevan no pocos problemas. En general, los físicos creen que, aunque son teóricamente posibles, algo debe de estar evitando que ese tipo de desplazamientos temporales se produzcan en la Naturaleza. De otra forma, argumentan, podrían darse todo tipo de paradojas, entre ellas la clásica de que alguien podría viajar al pasado y matar a su abuelo, impidiendo así su propia existencia.

Y no solo es la familia la que estaría amenazada por unos viajes así. En efecto, romper el flujo temporal, dejando a un lado el principio de causalidad (un acontecimiento causa otro, que causa otro, y otro…) también puede tener consecuencias para la propia Física cuántica. A lo largo de las dos décadas pasadas los investigadores han mostrado hasta la saciedad que los principios mismos sobre los que se basa la Física Cuántica se quiebran en pedazos ante la presencia de curvas temporales cerradas. Por ejemplo, se puede quebrar el principio de incertidumbre, que establece la imposibilidad de conocer al mismo tiempo determinados pares de magnitudes físicas de una partícula (como la velocidad y el momento). O incluso dejar a un lado el Teorema de no Clonación, que dice que los estados cuánticos no se pueden copiar y que constituye uno de los pilares más sólidos de la Mecánica Cuántica.

Evitar las paradojas

         De Historias referidas a Viajes en el Tiempo hemos podido ver muchas en películas fantásticas

Sin embargo, el nuevo trabajo muestra que un ordenador cuántico sería capaz de resolver problemas hasta ahora irresolubles si en vez de por curvas cerradas, se desplazara a través de “curvas temporales abiertas”, que no crean los problemas de causalidad anteriormente descritos. Esto se debe a que dichas curvas no permiten la interacción directa con cualquier cosa en el propio pasado del objeto: las partículas viajeras del tiempo (o, para ser más exactos, los datos que contienen) nunca interaccionarían con sí mismas.

En la Teoría de la Relatividad se admite un espacio tetradimensional, con tres coordenadas espaciales y una temporal. Como no es posible representar en nuestra realidad semejante espacio de cuatro dimensiones, realizaremos una  aproximación representando por un plano el espacio tridimensional, más una coordenada temporal. Las soluciones temporales abiertas para expresar la evolución de un punto sería una gráfica del tipo:

Pra Mila Gu, de la Universidad de Singapur y director de la investigación, de esta forma “evitamos las paradojas clásicas, como la de los abuelos, aunque seguimos consiguiendo todos esos resultados extraños”.

“Cada vez que presentamos la idea -afirma por su parte Jayne Thompson, coautor de la investigación- todo el mundo dice que no hay forma de que esto pueda tener un efecto”. Pero sí que la hay. Las partículas enviadas de esta forma a través de un bucle temporal pueden, de hecho, ganar un enorme poder de “super computación”, incluso si jamás interactúan con nada del pasado. “La razón se debe a que algunos datos se almacenan en las correlaciones de entrelazado: y esto es precisamente lo que estamos aprovechando”, asegura Thompson.

Sin embargo, no todos los físicos piensan que estas líneas de tiempo abiertas tengan más posibilidades de manifestarse en el Universo físico que las líneas cerradas. Y pueden que tengan razón. Uno de los principales argumentos en contra de la existencia de curvas temporales cerradas es que nadie, que sepamos, nos ha visitado nunca desde el futuro. Un argumento que, por lo menos, no es válido con las curvas temporales abiertas, ya que en ellas cualquier mensaje procedente del futuro resultaría bloqueado.

Lo cierto es que dentro del átomo están encerradas todas las energías de los infiernos. El 6 de agosto de 1945 el mundo se pudo enterar de ello cuando, desde Hiroshima llegaron las noticias de que el hombre había desembarcado en la parte oscura de ese minúsculo objeto que llamamos átomo. Los misterios que dentro de él se esconden obsesionaron durante todo el siglo XX a los mejores físicos del mundo. Sin embargo, el “átomo” había sido durante más de dos mil años una de las más cercanas preocupaciones de los llamados “filófosos naturales”. La misma palabra venía a significar la unidad mínima de la materia que, en aquellos tiempos se suponía indestructible. Ahora, para nosotros, átomo es un término uso corriente que, sin embargo, no ha dejado de ser una amenaza y una promesa sin precedente.

                                                Demócrito

“El Universo se compone sólo de átomos y de vacío, todo lo demás, es opinión e ilusión”

 

El primer filósofo atómico fue un griego legendario, Leucipo, que se cree vivió en el siglo V a. C.

Demócrito de Abdera, su discípulo, que dio al atomismo su forma clásica como filosofía, le divertían tanto las locuras de los hombres que era conocido como el “filósofo risueño”. Sin embargo, fue uno de los primeros que se opuso a la idea de la decadencia de la Humanidad a partir de una Edad de Oro mítica, y predicó siempre con el progreso. Si todo el Universo estaba compuesto solamente de átomos y vacío, no sólo no era infinitamente complejo, sino que, de un modo u otro, era inteligible, y seguramente el poder del hombre evolucionado no tendría límite.

Lo cierto es que, nuestro futuro es un libro en blanco y, lo que se pueda leer en él, aún no está escrito pero… ¿depende de nosotros?

Lucrecio (c. 95 a, C. – c. 55 a. C.) perpetuó en De rerum natura, uno de los más importantes poemas latinos, al atomismo antiguo. Con la intención de liberar al pueblo del temor a los dioses, el poeta demostró que el mundo entero estaba constituido por vacío y átomos, los cuales se movían según sus leyes propias; que el alma moría con el cuerpo y que por consiguiente no había razón para temer a la muerte o a los poderes sobrenaturales.

Lucrecio decía que comprender la Naturaleza era el único modo de hallar la paz de espíritu, y, como era de esperar, los padres de la Iglesia que pregonaban la vida eterna, atacaron sin piedad a Lucrecio y este fue ignorado y olvidado durante toda la Edad Media que, como sabéis, fue la culpable de la paralización del saber de la Humanidad. Sin embargo, Lucrecio fue, una de las figuras más influyentes del Renacimiento.

Llamamos Renacimiento al gran movimiento literio, artístico y de pensamientos, iniciado en Italia en el siglo XIV de donde se pudo esparcir por toda Europa, cambiando la vida de los ideales de la Sociedad. Su principal característica fue la veneración a la cultura griega y bajo su impulso podemos decir que florecieron las artes en el mundo literario y artístico en general.

Entre las causas que facilitaron el Renacimiento cabrían destacar:

– La riqueza de algunas ciudades Italianas, originadas por el comercio y la industria.

– Las familias enriquecidas y los Papas protegieron las artes.

– La caída de Constantinopla que obligó a los sabios bizantinos a venirse a Europa.

– Los grandes descubrimientos geográficos de españoles y portugueses.

– La difusión de Inventos: la imprenta, el papel, la tinto, la pólvora, la brújula… ¡el telescopio!

Pero no perdamos la “brújula”. Así pues, en un principio el atomismo vino al mundo como sistema filosófico. Del mismo modo que la simetría pitagórica había proporcionado un marco a Copérnico, la geometría había seducido a Kepler y el círculo perfecto aristotélico hechizo a Harvey, así los “indestructibles” átomos de los filósofos atrajeron a los físicos y a los químicos. Francis Bacon observó que “la teoría de Demócrito referida a los átomos es, si no cierta, al menos aplicable con excelentes resultados al análisis de la Naturaleza”.

Descartes (1596 – 1650) inventó su propia noción de partículas infinitamente pequeñas que se movían en un medio que llamó éter. Otro filósofo francés, Pierre Gassendi (1592 – 1655), pareció confirmar la teoría de Demócrito y presentó otra versión más del atomismo, que Robert Boyle (1627 – 1691) adaptó a la química demostrando que los “elementos clásicos –tierra, aire, fuego y agua- no eran en absoluto elementales.

Las proféticas intuiciones de un matemático jesuita, R.G. Boscovich (1711 – 1787) trazaron los caminos para una nueva ciencia, la física atómica. Su atrevido concepto de “los puntos centrales” abandonaba la antigua idea de una variedad de átomos sólidos diferentes. Las partículas fundamentales de la materia, sugería Boscovich, eran todas idénticas, y las relaciones espaciales alrededor de esos puntos centrales constituían la materia… Boscovich que había llegado a estas conclusiones a partir de sus conocimientos de matemáticas y astronomía, anunció la íntima conexión entre la estructura del átomo y la del Universo, entre lo infinitesimal y lo infinito.

El camino experimental hacia el átomo fue trazado por John Dalton (1766 – 1844). Era este un científico aficionado cuáquero y autodidacta que recogió un sugestivo concepto de Lavoisier (1743 – 1794). Considerado una de los fundadores de la química moderna, Lavoisier, cuando definió un “elemento” como una sustancia que no puede ser descompuesta en otras sustancias por medio de ningún método conocido, hizo del átomo un útil concepto de laboratorio y trajo la teoría atómica a la realidad.

Dalton había nacido en el seno de una familia de tejedores de Cumberland, localidad inglesa situada en la región de los lagos, y estuvo marcada toda su vida por su origen humilde. A los doce años ya se encontraba a cargo de la escuela cuáquera de su pueblo. Después, comenzó a ejercer la enseñanza en la vecina Kendal, y en la biblioteca del colegio encontró ejemplares de los Principia de Newton, de las Obras de la Historia Natural de Buffón, así como un telescopio reflectante de unos setenta centímetros y un microscopio doble.

Dalton recibió allí la influencia de John Gough, un notable filósofo natural ciego que, de acuerdo a lo que Dalton escribió a un amigo, “entiende muy bien todas las diferentes ramas de las matemáticas…Conoce por el tacto, el sabor y el olor de casi todas las plantas que crecen a casi treinta kilómetros a la redonda”. También Wordsworth elogia a Gough en su Excursión. Dalton recibió del filósofo ciego una educación básica en latín, griego y francés, y fue introducido en las matemáticas, la astronomía y todas las ciencias “de la observación”. Siguiendo el ejemplo de Gough, Dalton comenzó a llevar un registro meteorológico diario, que continuó hasta el día de su muerte.

           Jhon Dalton retrato de 1837

Cuando los “disidentes” fundaron su colegio propio en Manchester, Dalton fue designado profesor de matemáticas y de filosofía natural. Halló una audiencia muy receptiva para sus experimentos en la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester, y presentó allí sus Hechos extraordinarios concernientes a la visión de los colores, que probablemente fue el primer trabajo sistemático sobre la imposibilidad de percibir los colores, o daltonismo, enfermedad que padecían tanto John Dalton como su hermano Jonathan. “He errado tantas veces el camino por aceptar los resultados de otros que he decidido escribir lo menos posible y solamente lo que pueda afirmar por mi propia experiencia”.

Dalton observó la aurora boreal, sugirió el probable origen de los vientos alisios, las causas de la formación de nubes y de la lluvia y, sin habérselo propuesto, introdujo mejoras en los pluviómetros, los barómetros, los termómetros y los higrómetros. Su interés por la atmósfera le proporcionó una visión de la química que lo condujo al átomo.

Newton había confiado en que los cuerpos visibles más pequeños siguieran las leyes cuantitativas que gobernaban los cuerpos celestes de mayor tamaño. La química sería una recapitulación de la Astronomía. Pero, ¿Cómo podía el hombre observar y medir los movimientos y la atracción mutua de estas partículas invisibles? En los Principios Newton había conjeturado que los fenómenos de la Naturaleza no descritos en este libro podrían “depender todos de ciertas fuerzas por las cuales las partículas de los cuerpos, debido a causas hasta ahora desconocidas, se impulsan mutuamente unas hacia otras y se unen formando figuras regulares, o bien se repelen y se apartan unas de otras.”

Dalton se lanzó a la búsqueda  de “estas partículas primitivas” tratando de encontrar algún medio experimental que le permitiera incluirlas en un sistema cuantitativo. Puesto que los gases eran la forma de materia más fluida, más móvil, Dalton centró su estudio en la atmósfera, la mezcla de gases que componen el aire, el cual constituyó el punto de partida de toda su reflexión sobre los átomos.

“¿Por qué el agua no admite un volumen similar de cada gas?, preguntó Dalton a sus colegas de la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester en 1803. “Estoy casi seguro de que la circunstancia depende del peso y el número de las partículas últimas de los diversos gases; aquellos cuyas partículas son más ligeras y simples se absorben con más dificultad, y los demás con mayor facilidad, según vayan aumentando en peso y en complejidad.”

 

 

Dalton había descubierto que, contrariamente a la idea dominante, el aire no era un vasto disolvente químico único sino una mezcla de gases, cada uno de los cuales conservaban su identidad y actuaba de manera independiente. El producto de sus experimentos fue recogido en la trascendental TABLE: Of the Relative Weights of Ultimate Particles of Gaseous and Other Bodies (“Tabla de los pesos relativos de las partículas últimas de los cuerpos gaseosos y de otros cuerpos”).

Tomando al Hidrógeno como número uno, Dalton detalló en esta obra veintiuna sustancias. Describió las invisibles “partículas últimas” como diminutas bolitas sólidas, similares a balas pero mucho más pequeñas, y propuso que se les aplicaran las leyes newtonianas de las fuerzas de atracción de la materia. Dalton se proponía lograr “una nueva perspectiva de los primeros principios de los elementos de los cuerpos y sus combinaciones”, que “sin duda…con el tiempo, producirá importantísimos cambios en el sistema de la química y la reducirá a una ciencia de gran simplicidad, inteligible hasta para los intelectos menos dotados”. Cuando Dalton mostró una “partícula de aire que descansa sobre cuatro partículas de agua como una ordenada pila de metralla” donde cada pequeño globo está en contacto con sus vecinos, proporcionó el modelo de esferas y radio de la química del siglo siguiente.

Una ilustración de moléculas, según la teoría atómica de John Dalton. En el siglo XIX, Dalton sentó las bases de la actual teoría atómica, que luego se revelaría como substancialmente correcta. A lo largo de la Historia siempre ha sido igual, es muy raro encontrar que un descubrimiento o una teoría venga de una sola mente. La mente que finalmente la plasma en realidad, ha bebido antes del saber del mundo. Es decir, de todos quellos que antes que él pusieron sus ideas que fueron perfeccionando y haciendo posible ese finalñ feliz. Hasta Leucipo y Demócrito se aprovecharon de aventureros que, venidos de la India, les hablaron del átomo, una idea germinal de aquella zona de Asia.

Dalton inventó unas “señales arbitrarias como signos elegidos para representar los diversos elementos químicos o partículas últimas”, organizadas en una tabla de pesos atómicos que utilizaba en sus populares conferencias. Naturalmente, Dalton no fue el primero en emplear una escritura abreviada para representar las sustancias químicas, pues los alquimistas también tenían su código. Pero él fue probablemente el primero que utilizó este tipo de simbolismo en un sistema cuantitativo de “partículas últimas”. Dalton tomó como unidad el átomo de Hidrógeno, y a partir de él calculó el peso de las moléculas como la suma de los pesos de los átomos que la componían, creando así una sintaxis moderna para la química. Las abreviaturas actuales que utilizan la primera letra del nombre latino (por ejemplo H2O) fueron ideadas por el químico sueco Berzelius (1779 – 1848).

Sir Humpry Davy a los veintitrés años.

La teoría del átomo de Dalton no fue recibida en un principio con entusiasmo. El gran sir Humphry Davy desestimó inmediatamente sus ideas tachándolas de “más ingeniosas que importantes”. Pero las nociones de Dalton, desarrolladas en A New System of Chemical Philosophy (1808), eran tan convincentes que en 1826 le fue concedida la medalla real. Como Dalton no olvidó nunca su origen plebeyo, permaneció siempre apartado de la Royal Society de Londres, pero fue elegido miembro, sin su consentimiento, en 1822. Receloso del tono aristocrático y poco profesional de la Sociedad, él se encontraba más a gusto en Manchester, donde realizó la mayor parte de su obra, colaboró con Charles Babage y contribuyó a fundar la Asociación Británica para el Progreso de la Ciencia, cuyo objetivo era llevar la ciencia hasta el pueblo. Los newtonianos partidarios de la ortodoxia religiosa no creían que Dios hubiera hecho necesariamente sus invisibles “partículas últimas” invariables e indestructibles. Compartían con Isaac Newton la sospecha de que Dios había utilizado su poder “para variar las leyes de la Naturaleza y crear mundos diversos en distintos lugares del Universo”.

El átomo indestructible de Dalton se convirtió en el fundamento de una naciente ciencia de la química, proporcionando los principios elementales, las leyes de composición constante y de proporciones múltiples y la combinación de elementos químicos en razón de su peso atómico. “El análisis y la síntesis química no van más allá de la separación de unas partículas de otras y su reunión”, insistió Dalton. “La creación o la destrucción de la materia no está al alcance de ningún agente químico. Sería lo mismo tratar de introducir un planeta nuevo en el Sistema Solar o aniquilar uno de los ya existentes que crear o destruir una partícula de Hidrógeno.” Dalton continuó usando las leyes de los cuerpos celestes visibles como indicios del Universo infinitesimal. El profético sir Humphry Davy, sin embargo, no se convencía, “no hay razón para suponer que ha sido descubierto un principio real indestructible”, afirmó escéptico.

Dalton no era más que un Colón. Los Vespucios aún no habían llegado, y cuando lo hicieron trajeron consigo algunas sorpresas muy agradables y conmociones aterradoras. Entretanto, y durante medio siglo, el sólido e indestructible átomo de Dalton fue muy útil para los químicos, y dio lugar a prácticas elaboraciones. Un científico francés, Gay-Lussac, demostró que cuando los átomos se combinaban no lo hacían necesariamente de dos en dos, como había indicado Dalton, sino que podían agruparse en asociaciones distintas de unidades enteras. Un químico italiano, Avogadro (1776 – 1856), demostró que volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contenían el mismo número de moléculas. Un químico ruso, Mendeleiev, propuso una sugestiva “Ley periódica” de los elementos. Si los elementos estaban dispuestos en orden según su creciente peso atómico entonces grupos de elementos de características similares se repetirían periódicamente.

La disolución del indestructible átomo sólido provendría de dos fuentes, una conocida y la otra bastante nueva: el estudio de la luz y el descubrimiento de la electricidad. El propio Einstein describió este histórico movimiento como la decadencia de una perspectiva “mecánica” y el nacimiento de una perspectiva “de campo” del mundo físico, que le ayudó a encontrar su propio camino hacia la relatividad, hacia explicaciones y misterios nuevos.

Albert Einstein tenía en la pared de su estudio un retrato de Michael Faraday (1791 – 1867), y ningún otro hubiera podido ser más apropiado, pues Faraday fue el pionero y el profeta de la gran revisión que hizo posible la obra de Einstein. El mundo ya no sería un escenario newtoniano de “fuerzas a distancias”, objetos mutuamente atraídos por la fuerza de la Gravedad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que hay entre ellos. El mundo material se convertiría en una tentadora escena de sutiles y omnipresentes “campos de fuerzas”. Esta idea era tan radical como la revolución newtoniana, e incluso más difícil de comprender para los legos en la materia.

emilio silvera