Nueva nanoestructura combina memoria con elementos lógicos & 3 Nuevos artículos:
Alan Newell, profesor de matemáticas de la Universidad de Arizona (UA), estudia los patrones de la naturaleza, los cuales, según dice, tienen características que son universales.
Cuando la gente pregunta en los aviones a Alan Newell en qué trabaja, él responde que en “arreglos florales”. También podría decir “huellas digitales” u “ondas de arena” o “cómo crecen las plantas”.
“La mayoría de los patrones que ves, incluyendo los de las dunas de arena, o peces, o tigres, o leopardos, o en el laboratorio – incluso los defectos en los patrones – tienen muchas características universales”, dice Newell, Profesor Regents de Matemáticas en la Universidad de Arizona.
“Todos estos sistemas diferentes presentan características muy similares en cuanto a los patrones que forman”, señala. “Los patrones surgen en los sistemas cuando están bajo algún tipo de tensión, tensión aplicada”.
Newell habló de la universalidad de los patrones en la naturaleza y cómo se crean esos patrones, con énfasis en las plantas, el viernes 18 de febrero en la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS) en el Centro de Convenciones de Washington en Washington, DC.
La charla de Newell: “La naturaleza universal de los patrones de Fibonacci”, forma parte del simposio, “El crecimiento de la Forma en Matemáticas, Física y Biología”.
El simposio se realiza en honor al 150 aniversario del nacimiento del matemático biólogo D’Arcy Wentworth Thompson.
En 1917, Thompson publicó un libro muy influyente, “Sobre el crecimiento y la forma (On Growth and Form)”, en el que sostenía que las formas biológicas están controladas más por las leyes de la física que por la evolución.
Newell está de acuerdo en que muchas de las formas biológicas – y no biológicas – de la naturaleza son producto de las fuerzas físicas, más que de la evolución.
En su charla, discutirá cómo los arreglos de flores, brácteas, cogollos y las adhesiones cerca de los brotes de las plantas – conocidas como filotaxis – son consecuencia de inestabilidades bioquímica y mecánicamente inducidas en la formación de patrones.
“Todos los hermosos patrones de las plantas tienen su origen en fuerzas mecánicas y procesos bioquímicos”, comenta.
Newell y sus alumnos abordan el problema de los patrones en las plantas desde un punto de vista mecanicista, apunta.
“Nos fijamos en el fenómeno que nos interesa, y aprendemos de ello, leemos sobre ello, nos enteramos de lo que otros dicen sobre él, y nos fijamos en la evidencia experimental”, dijo. “Luego intentamos captar lo que vemos usando modelos matemáticos”.
Los patrones se presentan cuando se rompe la simetría de un sistema, comenta Newell. La similitud en los patrones de un sistema ocurre cuando los sistemas tienen simetrías parecidas, y no porque los sistemas estén hechos de los mismos materiales.
“Las matemáticas captan elegantemente el hecho de que la estructura patrón depende más de simetrías geométricas compartidas que de las propiedades del material, ya que las ecuaciones simplificadas para todas estas distintas situaciones resultan ser muy las mismas”, apunta.
Newell dijo que: “Las matemáticas son como un buen poema, que separa lo superfluo de lo esencial y fusiona los elementos esenciales en un grano de verdad”.
Por qué los astrofísicos necesitan una bombilla en órbita
Los astrónomos que miden las fuentes de luz más distantes necesitan saber la cantidad de luz que absorbe la atmósfera. La respuesta es una bombilla en órbita.
Los telescopios espaciales han cambiado nuestra visión del Universo en los últimos 25 años y el futuro parece prometedor. Un número de nuevos observatorios y técnicas de observación, tanto en tierra como en órbita, prometen ampliar nuestra comprensión del cosmos aún más.
Pero hay un problema. Uno de los procesos fundamentales en la observación es la calibración de los instrumentos involucrados. Los astrónomos pueden poner a prueba fácilmente sus telescopios terrestres con una bombilla decente. Pero una cosa que no pueden tener en cuenta es la cantidad de luz absorbida por la atmósfera, la cual puede ser significativa.
Es fácil imaginar que este problema desaparece con los observatorios espaciales. Pero estos también tienen que calibrarse. El Telescopio Espacial Hubble, por ejemplo, tiene a bordo bombillas de tungsteno para este propósito.
Pero esto también introduce diversas incertidumbres a causa de cosas como pequeños cambios en la emisión de una bombilla cuando cambia la temperatura conforme el observatorio entra y sale de la sombra de la Tierra. Tampoco hay manera de cotejar las medidas de las bombillas de tungsteno del Hubble con las observaciones desde el suelo.
Estas incertidumbres están poniendo límites importantes en algunos tipos de observación, dice Justin Albert de la Universidad de Victoria en Canadá. Tal vez el ejemplo más importante es la medida de la expansión del universo que los astrónomos hacen mirando el brillo de las supernovas tipo 1a en galaxias distantes.
Mejores medidas requerirán una mejor calibración.
Albert dice que hay una solución obvia: poner una bombilla en órbita de forma que los telescopios en tierra pueden utilizarla para determinar exactamente la cantidad de luz que absorbe la atmósfera en cualquier frecuencia. “La incorporación de fuentes artificiales de luz calibrada en el espacio al arsenal de técnicas para la calibración fotométrica proporcionará una nueva y poderosa herramienta para aumentar la precisión en la astrofísica”, dice. Hoy, describe los diversos factores que intervienen en su idea.
La fuente de luz requerida es sorprendentemente pequeña. Señala que una bombilla estándar de 25 Watts en una órbita a 700 km sería tan brillante como una estrella de magnitud 12,5. Un láser sintonizable es otra opción, pero tendría que apuntarse con precisión en cualquier telescopio terrestre, aumentando así la complejidad del diseño.
Ninguna bombilla decente es actualmente visible en el espacio, pero hay allí una nave espacial con un láser apuntando a la Tierra. CALIPSO es un satélite franco-estadounidense diseñado para medir el perfil vertical de nubes y aerosoles. Con este fin, lanza un haz láser verde hacia la superficie y mide la reflexión.
La idea de Albert es que la medición de este haz desde el suelo es una manera de demostrar el concepto de calibración de telescopios en órbita. Y sin duda ha estado ocupado persiguiendo el satélite y fotografiando la luz que produce mediante un conjunto de siete cámaras distribuidas en pocos cientos de metros.
Su mayor problema es que el láser de CALIPSO no fue diseñado con el propósito para el que lo utilizará él. El haz tiene una huella de sólo 100 metros, aproximadamente, de ancho. Y puesto que las incertidumbres en la órbita de la nave son mayores que esto, es difícil poner las cámaras en la línea de fuego.
Además, el láser se dispara a a un ritmo de 20 Hz, lo que significa que el centelleo en la atmósfera se convierte en un factor (mientras que en un pulso más largo o haz continuo podría hallarse el promedio temporal). Sin embargo, ha hecho un excelente trabajo de caracterización de los problemas asociados con este tipo de trabajo.
Pero destaca la dificultad que tendrían los observatorios con estas técnicas. Estos tipos de observaciones láser sólo son posibles cuando el satélite está directamente sobre la cabeza y son válidas únicamente para ese punto en el cielo, en ese lugar en la Tierra, para ese punto en el tiempo.
Claramente, los astrónomos van a necesitar algo mejor. Una bombilla de luz que pueda verse desde un mayor ángulo es una buena opción.
Sin embargo, los reflectores no lo son. Albert señala que, si bien varios satélites tienen reflectores para telemetría láser, éstos no pueden utilizarse para medir con precisión la absorción de la luz en la atmósfera.
Esto se debe a que la reflectividad cambia con el ángulo de incidencia, pero no se sabe cómo exactamente.
Por otra parte, la reflectividad de estos dispositivos cambia con el tiempo, conforme los espejos se enfrentan al daño de los micrometeoritos.
Para llevar adelante su investigación, Albert tiene planeado enviar más luces avanzadas en globos para que se pueda estudiar mejor este problema.
Pero al final, la única manera de ayudar realmente a los astrónomos del futuro será poner una bombilla en órbita. Dado que la historia de la expansión del Universo es uno de los problemas más importantes en la cosmología, quizás es hora de empezar a pensar más acerca de cómo se puede hacer esto.
¿El agua más antigua del mundo?
Una nueva prueba refuerza la idea de que las profundas aguas salinas subterráneas en la Cuenca Witwatersrand de Sudáfrica pueden haber permanecido aisladas durante miles, tal vez incluso millones de años.
El estudio, recientemente aceptado para su publicación en Chemical Geology, encontró gas noble neón disuelto en el agua en grietas de tres kilómetros de profundidad.
El inusual perfil del neón, junto con las altas salinidades y algunas otras firmas químicas únicas, es muy diferente a todo lo visto en los fluidos fundidos y gases que surgen de debajo de la corteza terrestre, de acuerdo con la profesora Barbara Sherwood Lollar de la Universidad de Toronto, que es el miembro canadiense del equipo internacional que produjo los resultados.
“Las firmas químicas tampoco coinciden con las del agua del mar o de aguas más arriba en la cuenca de Witwatersrand, en tanto que en la mayoría de las regiones de la corteza, las aguas subterráneas muestran evidencia de mezcla con las aguas superficiales y son ampliamente colonizadas por microorganismos”, comenta. “Llegamos a la conclusión de que las aguas más profundas fueron producto del aislamiento y la extensa interacción química entre agua y roca a lo largo de escalas de tiempo geológicas increíblemente largas”.
La prueba irrefutable fue la antigua roca basal.
“Sabemos que esta firma de isótopos específicos de neón fue producida y atrapada en la roca hace al menos dos mil millones de años. Todavía podemos encontrarla allí hoy”, dijo la Dra. Sherwood Lollar. “El estudio muestra que parte del neón logró salir de los minerales de la roca, disolviéndose poco a poco, y depositándose en los fluidos en las grietas. Esto sólo podría suceder en aguas que han quedado realmente aisladas de la superficie por períodos de tiempo extremadamente largos”.
El descubrimiento añade otra dimensión a lo que sólo recientemente ha sido reconocido como un entorno realmente único.
Uno de estos sistemas de fracturas contiene el ecosistema microbiano más profundo conocido en la Tierra. Se trata de organismos que medran independiente de la luz solar, usando la energía química que se origina en la roca.
“Estas comunidades microbianas profundas amplían radicalmente nuestro concepto de habitabilidad del subsuelo de la Tierra y, de hecho, de nuestra biosfera”, comenta la Dra. Sherwood Lollar.
“Teniendo en cuenta que tienen una similitud genética con los organismos que se encuentran en las fumarolas hidrotermales, suponemos que esto no es un origen distinto de la vida, sino que estos organismos llegaron de otros lugares para colonizar estas rocas en la antigüedad”, dijo.
“Es evidente que el largo período de aislamiento afectó a su evolución. Ésta es un área que esperamos explorar con posteriores investigaciones con nuestros colegas de la microbiología”.
La autora principal del artículo es Johanna Lippmann-Pipke del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en Leipzig, Alemania. Participaron en el estudio investigadores de Alemania, Sudáfrica, Estados Unidos y Canadá.
Nueva nanoestructura combina memoria con elementos lógicos
Se ha desvelado por parte de físicos alemanes, una nueva forma de crear circuitos lógicos completos y programables que combinen memoria y procesado lógico en una única estructura. Tales estructuras podrían llevar a circuitos integrados más rápidos, pequeños y más eficientes energéticamente y su desarrollo ha sido uno de los objetivos principales de la espintrónica – una tecnología relativamente nueva que explota el espín de un electrón así como su carga. Los investigadores creen que la estructura podría llevar a una nueva forma de diseñar circuitos lógicos en los cuales la memoria y los elementos lógicos no estén separados.
“Se han hecho demostraciones de dispositivos espintrónicos aislados desde hace tiempo, pero ahora hemos demostrado un circuito lógico programable – y eso es algo nuevo”, dice el líder del equipo Laurens Molenkamp de la Universidad de Würzburg. El nuevo circuito está hecho de un semiconductor ferromagnético que contiene una mezcla de galio, manganeso y arsénico ((Ga,Mn)As) que combina la capacidad de lectura/escritura con un proceso lógico.
Los dispositivos espintrónicos aprovechan el hecho de que el espín del electrón puede apuntar en la dirección “arriba” o “abajo”, y cambiar entre estos dos sentidos es una propiedad que podría usarse para almacenar y procesar información. Tales circuitos serían menores y más eficientes que los circuitos electrónicos basados en el silicio convencional – los cuales dependen de la carga – debido a que, en principio, cambiar espines de arriba a abajo puede hacerse usando muy poca energía. Los dispositivos espintrónicos podría transportar o manipular información a través de una “corriente de espín”, la cual consiste en electrones con espines opuestos que se mueven en sentidos opuestos.
Relajación de la tensión
Cuando se deposita en una capa 2D, (Ga,Mn)As queda mayormente magnetizado a lo largo de una de las dos direcciones – tanto en el plano de la capa como en ángulos rectos entre sí. Los investigadores de Würzburg ya habían descubierto que si hacían un patrón con tales capas en cables estrechos, un fenómeno conocido como “relajación de la tensión” provocaba que los cables tuviesen un único eje de magnetización – a lo largo de la longitud del cable.
Ahora, el equipo ha observado que en una estructura donde tal cable entra en contacto con un área más ancha de (Ga,Mn)As, al pasar una corriente eléctrica a través del cable el área más ancha de (Ga,Mn)As queda magnetizada en la misma dirección del cable. Uniendo cables en direcciones norte, sur, este y oeste con el área más ancha se puede transformar la estructura en una puerta lógica simple.
La corriente de espín polarizada (una corriente de carga con distintos números de electrones con espín arriba y abajo) en una barra norte-sur o este-oeste magnetiza (o “escribe”) el área ancha central con un estado “0″ ó “1″ respectivamente. El dispositivo puede entonces leer midiendo la resistencia a través la unión del túnel que conecta una barra con el área ancha. Esta resistencia es mayor para el 1 que para el 0, y combinar tales dispositivos de 1 bit permitiría a los investigadores construir puertas lógicas XOR completas – algo en lo que el equipo está trabajando actualmente.
Puerta programable
“La otra cosa interesante es que el modo real de operación de la puerta es programable – depende de qué cables usa realmente para señalar los bits lógicos y cómo son inicializados. Por ejemplo, la operación lógica realizada por el dispositivo depende de si las barras norte-sur o este.oeste se definen como 1 -o 0 en cada uno de los dos bits del elemento. “En este sentido, nuestro circuito funciona como un FPGA en la tecnología actual de circuitos integrados”.
En los ordenadores convencionales, la salida de una puerta sólida es de vida corta y tiene que almacenarse en memoria (como la RAM) que está en otra parte del ordenador. Dado que las áreas anchas en las estructuras de Molenkamp y sus colegas están hechas de un material ferromagnético, el estado lógico (o magnetización) es de mayor duración. Por tanto no tiene que transferirse a otra parte, sino que puede aprovecharse directamente.
“Nuestro circuito une la funcionalidad de lógica y memoria en una única capa muy compacta y hace que el procedimiento estándar de separar lógica y memoria sea redundante”, explica Molenkamp. “La capa podría de esta forma llevarnos a un paradigma de procesamiento de la información fundamentalmente nuevo”, añade, “y espero que nuestro trabajo ayudará a convencer a la industria de la electrónica del potencial de implementar espintrónica en los siguientes sistemas de generación de información”.
Dicho esto, hay un inconveniente para el propio (Ga,Mn)As – el material sólo es ferromagnético a temperaturas por debajo de unos 150 Kelvin. No obstante, la idea presentada por el equipo de Würzburg debería aplicarse a otros materiales ferromagnéticos comunes que son magnéticos a temperatura ambiente.
Estas son las buenas noticias.
El circuito se describe en la revista Phys. Rev. Lett. 106 057204.
Fuente Original: Ciencia Kanija
