Antenes pel 5G

Una de les incomoditats  de les futures xarxes 5G, és l'augment de l'ample de banda i l'alta velocitat utitzant l'espectre d'ona mil·limètrica (l'espectre de la ràdio per sobre de 30 gigahertz). això ten un cost: aquests senyals de ràdio a penes es propaguen per les pareds dels edificis.

L'estratègia per augmentar la cobertura i així superar aquest problema,  ha estat una combinació de  petites cèl·les  amb antenes múltiple  MIMO  d'entrades múltiples. El desplegament de peties cèl·les  serà tan extens que en el Small Cells Forum es prediu que  les petites cel·les  de 5G superaran les petites cel·les del 4G en el 2024. La base total instal·lada de cel·les petites de 5G o multimode arribarà a 13,1 milions en el  2025, constituint-se en més d'un terç del total cèl·les petites en ús.

Així que, com aconseguir que totes aquestes peites cel·les  es dispersin per tot el paisatge de la ciutat on els edificis es troben per tot arreu i hi han pocs espais oberts per fer viatjar a les senyals?

Els enginyers de  Vodafone amb seu al Regne Unit, han trobat una solució enginyosa: fer que les tapes de registre exteriors tinguin una doble funció  una d'elles es fer-les server com a antenes per a les comunicacions mòbils. Aquesta solució intel·ligent, aconsegueix evitar tots els problemes  que han preocupat a molts observadors sobre la proliferació de les petites cèl·les. Evita el treball en vies publiques, i evitat la instal·lació d'antenes col·locades de manera incòmoda en els edificis d'un barri.

Aquesta solució s'està utilitzant actualment per a xarxes existents 4G, però els enginyers de Vodafone creuen que això podria ser una solució per a les xarxes futures de 5G. Els 'forats' proporcionen una oportunitat per oferir solucions en entorns urbans densos.

Si bé hi ha la possibilitat que aquestes  cobertes o tapes  es puguin utilitzar per a xarxes 5G,  un portaveu de Vodafone es manté en una estratègia  de n o manifestar-se en quant a si això serà part del 5G general de Vodafone. Es te la impressió que es podrien utilitzar les solucions de cobertura d'agrupacions per al desplegament del 5G, però això encara s'ha de decidir.No obstant això, es van revelar algunes de les impressionants capacitats  d'aqeustes  antenes. L'antena que s'està utilitzant actualment té un rang de freqüències de 1695 MHz a 2690 MHz, i s'està utilitzant amb el 4G on es poden aconseguir velocitats de descàrrega de fins a 195 Mbps.

Font: IEEE Spectrum

Les xarxes intel·ligents basades en un IDPR.

A qualsevol nivell de les xarxes de distribució elèctriques, s'han anat incorporant aplicacions i dispositius bassats en electrònica de potència que van des de les grans instal·lacions de generació, el transport elèctric fins a petits sistemes de baixa tensió. Per tant, dia a dia, l'energia que es consumeix ha passat o passarà per sistemes d'electrònica de potència, com ja ho fan els inversors, els convertidors, els variadors de velocitat, etc. L'autoconsum i la genració distribuïda es basaran en l'ús intensiu d'aquesta tecnologai suportada en l'electrònica de potència.

Per tant, a mida que aquesta tecnologia vagi penentrant en la xarxa elèctrica tradicional, realment serà quan una smart grid tindrà significat, gràcies a les capacitats de control que ofereix la electrònica de potencia, és a dir, l'ús d'electrònica de potència fa més intel·ligent a la xarxa i és per tant, una tecnologia clau de les smart grids. A més, amb ella no només es construeix la smart grid bottom-up sinó, simultàniament a tots els nivells de la mateixa.

llavors, aquestes tecnologies són presents des de la generació fins al consum, tant en les xarxes de transport com de distribució. Les noves necessitats derivades de les exigències -que per una banda venen donandes pels consums exigents i per altre la creixent isntal·lació generació distribuida- faran sorgir problemes tals com són: les congestions, gestió de fluxos elèctrics i de capacitat els quals, tradicionalment han estat resolts mitjançant inversió en noves línies i actius elèctrics passius.

Aquest tipus de de noves regles ha fet sorgir nous actors, com pot ser un agregador de manera que, la forma i regles d'invertir en les xarxes de distrivbució, faran cada cop menys justificables les inversions en renovar actius passius tradicionals.

Per altre banda, a mesura que la penetració renovable vagi creixent a les xarxes, les centrals renovables hauran d'avançar des d'una posició en la que necessitaran suport de la generació convencional, per participar activament en els mercats i acabar sent la capacitat base d'una generació elèctrica sostenible.

Una alternativa per poder optenir una xarxa inteligent real, és el Intelligent Distribution Power Router (IDPR) com un actiu clau basat en l'electrònica de potència per les xarxes elèctriques del futur.

El IDPR, és un nou dispositiu com a resultat de la idea d'Estabanell Energia per explorar les xarxes intel·ligents i així millorar la xarxa elèctrica, reduir l'impacte ambiental i també, millorar l'eficiència. El dispositiu és modular amb unitats de 25 kW i ha estat dissenayt pel CITCEA de la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya), fent possible interactuar amb la xarxa de forma no intrusiva pel que en cas de falla, la xarxa elèctrica operarà de forma tradicional no generant problemes als ususris. També, pot crear i gestionar illes energètiques.

El control d'un IDPR, com qualsevol altre dispositiu electrònic de potència, per funcionar correctament requereix validar algoritmes interns per proporcionar el valor suficient de diferents magnituds elèctriques . Una vegada que s'aconsegueixen, es poden afegir diversos algoritmes per millorar el comportament global, que aporta noves capacitats al dispositiu, esdevenint com un actiu que acosta la la gestió de la infraestructura elèctrica de baixa tensió, la qual, acostuma a ser el segment de la xarxa més desconnegut pels DSO i el que està més proper amb els usuaris que interactuen amb ella.

L'ús d'un IDPR amb emmagatzematge energètic permet el control dinàmic tant de potència reactiva com de potència activa, de manera independent.Mitjançant el control de la potència reactiva,s'aconsegueix l'estabilitat de tensió amb una alta capacitat dinàmica. D'altra banda, controlant la potència activa s'obren altres possibilietats com serien les següents:

• Emmagatzemar energia pot evitar inversions en línies reduint el pic de demanda.
• Realitzar el balanç de les variacions en la generació distribuïda o de la solar o eòlica.
• Permetre lliurar l'energia activa en funció del preu d'electricitat o senyals de congestió.
• Ampliar les possibilitats de participar en regulació secundària i altres mercats d'ajust a la generació eòlica i solar.

Actualment hi han 5 unitats en funiconament de: 40 kW, 25 kW, 100 kW a Catalunya, Alemanya i Turquia en xarxes de 230 Vca i 400 Vca.

Ramon Gallart

Molècula fotònica programable electrònicament.

Els sistemes físics amb nivells d'energia discrets, són de naturalesa omnipresent i formen blocs fonamentals de la tecnologia quàntica. S'han demostrat prèviament sistemes similars a l'àtom  i molècules artificials per regular la llum per fer possible un control coherent i dinàmic de la freqüència, l'amplitud i la fase dels fotons. En un recent estudi, Mian Zhang i els seus col·legues van dissenyar una molècula fotònica amb dos nivells diferentsd'energia, utilitzant ressonadors d'una micro-xarxa de niobat de liti acoblats que podien controlar-se mitjançant una excitació externa de les microones. La freqüència i la fase de la llum, es podrien operar amb senyals de les microones programades mitjançant sistemes canònics de dos nivells.

Mitjançant un control tan coherent, els científics van mostrar l'emmagatzematge òptic  i la seva recuperació, reconfigurant la molècula fotònica en un parell de modes: brillant i fosc. El control dinàmic de la llum en un sistema electro-òptic programable i escalable, obrirà portes per a aplicacions en processos de senyal de microones, portes quàntiques fotòniques  en el domini de la freqüència i  també, per explorar conceptes de la informàtica òptica i en la física topològica.

Per aconseguir-ho, els científics van crear una molècula fotònica direccionable per microones usant un parell de ressonadors integrats d'una microarxa de niobats de liti, que estaven disposats un prop de l'altre (ràdi 80 μm). Els efectes combinats de baixa pèrdua òptica, una cointegració eficient de les guies d'ona òptiques i els elèctrodes de les microones, permeten la realització simultània d'un n ample de banda elèctric gran (> 30 GHz), una forta eficiència de modulació i una vida prolongada útil  (2 ns).

Un anàleg fotònic d'un sistema de dos nivells, normalment pot facilitar la investigació de fenòmens físics complexos en materials electrònics i òptics. Aquests sistemes transmeten funcions importants, incloent un únic emmagatzematge i recuperació de fotons sota demanda, un canvi de freqüència òptica coherent i un processament d'informació quàntica òptica a temperatura ambient. Per al control dinàmic dels sistemes de dos nivells fotònics, els mètodes electro-òptics són ideals per la seva ràpida resposta, programabilitat i possibilitat d'integració a gran escala.

Dispositiu i detall de configuració experimental. a) Imatge de microscopi electrònic d'escaneig (SEM) de la escletxa entre els ressonadors de microring acoblats. b) Secció transversal del perfil del mode òptic en el ressonador d'anell. c) Imatge de microscòpia del dispositiu complet que mostra l'anell doble i els elèctrodes de microones. d) Imatge SEM de la matriu de dispositius de doble anell fabricats en un sol xip. 

Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

Per al control electro-òptic d'un sistema de dos nivells, la vida útil del fotó de cada estat energètic, ha de ser superior al temps necessari perquè el sistema es mogui d'un estat a un altre. Les plataformes fotòniques integrades  convencional, fina ara  no han complert els requisits  de vida simultània i de ràpida modulació d'un fotó. Les plataformes fotòniques elèctricament actives (basades en el silici, el grafè i altres polímers) permeten una ràpida modulació electro-òptica a les freqüències de gigahertz, però tenen vides de fotó més curtes. Tanmateix, la sintonia pura elèctrica encara és molt prematura, ja que els senyals de microones de banda estreta ofereixen un control molt millor amb un mínim soroll i  més escalabilitat.

En el seu treball, Zhang et al. va mostrar que la transmissió òptica de la molècula fotònica mesurada mitjançant un làser de longitud d'ona de telecomunicacions, suportava un parell de nivells d'energia òptica ben definits. L'acoblament evanescent de la llum d'un ressonador a un altre es va habilitar a través d'una escletja de 500 nm entre els ressonadors de micro-anells per formar els dos nivells òptics d'energia òptima. Els científics van explorar l'analogia entre un sistema de dos nivells atòmics i fotònics per demostrar el control de la molècula fotònica.

Configuració experimental. El dispositiu està impulsat òpticament  mitjançant un làser de telecomunicacions sintonitzable i centrat al voltant de 1630 nm. La llum s'envia a través d'un modulador electro-òptic extern amb controladors de polarització (PLC) abans d'enganxar-se al xip amb una fibra. El senyal de sortida òptic, també acoblat amb una fibra, s'envia a un fotodetector de 12 GHz. El senyal convertit elèctri, es dirigeix ​​a un oscil·loscopi. Els senyals de control de microones són generats per un generador d'ona arbitrària (AWG) i amplificat abans de ser enviat al dispositiu. Un polar T s'utilitza per permetre el control DC en els microrresonadors. S'utilitza un aïllador elèctric per capturar la reflexió elèctrica dels microrresonadors. L'oscil·loscopi, els senyals del dispositiu i els senyals de transmissió del modulador estan sincronitzats. 

Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.

En els experiments, la llum del làser de longitud d'ona de telecomunicacions sintonitzable, es va enviar a les guies d'ona i es van recollir a través d'un parell de lents de fibres òptiques. Els científics van utilitzar un generador d'ona arbitrària per operar senyals de control de microones abans d'enviar-les a amplificadors elèctrics. L'eficient superposició entre microones i els observats camps òptics en el sistema, permet una major eficiència de la sintonia  i la modulació, respecte  els observats prèviament amb sistemes electro-òptics convenciaonals. Aquesta conversió coherent entre microones i òptiques pot vincular processos quàntics i memòries electròniques a través de telecomunicacions òptiques de baixa pèrdua, per a aplicacions en futures xarxes d'informació quàntica.

A continuació, es va utilitzar un camp de microones coherent d'ona contínua per controlar un sistema fotònic de dos nivells. En aquest sistema, el nombre de fotons que podrien omplir cadascun dels dos nivells no es limitava a un. La freqüència de divisió del sistema es controlava amb precisió fins a diversos gigahertz controlant l'amplitud dels senyals de microones. L'efecte es va utilitzar per controlar la força efectiva d'acoblament entre els nivells d'energia de la molècula fotònica. Es van investigar dinàmiques espectrals coherents en la molècula fotònica per a una varietat de resistències de microones aplicades al sistema fotònic de dos nivells. Els científics també van descriure l'amplitud controlada i la fase del sistema utilitzant l'oscil lació de Rabi i la interferència de Ramsey.

Guies d'ona fotònica amb microones recobertes. a) Quan la freqüència aplicada de microones s'ajusta a la separació de mode, l'acoblament dissipatiu porta els dos nivells fotònics a dividir en quatre nivells. Aquest efecte és anàleg a la divisió d'Autler-Townes. Quan les microones es detecten lluny de la divisió del mode fotònic, els nivells d'energia fotònica experimenten un efecte dispersiu, el que condueix a un canvi en els nivells fotònics. Aquest efecte és anàleg als canvis de Stark. b) Mitjançant Autler-Townes dividits en la molècula fotònica, on la divisió es pot controlar de manera precisa per l'amplitud del senyal de microones aplicat. c) Desplaçaments ac fotònics de mesurament Stark per a un senyal de microones a 4,5 GHz. 

Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

El treball permet l'escriptura i la lectura controlada de la llum en un ressonador, com  una guia d'ones externa pot aconseguir l'emmagatzematge i recuperació de fotons sota demanda, el que és  una tasca crítica per al processament de senyals òptiques. Per facilitar-ho de forma experimental, Zhang et al. van aplicar una gran tensió de polarització de corrent continu (15 V) per reconfigurar el sistema de doble anell en un parell de modes (brillants i foscos). A la configuració, el mode localitzat en el primer anell va proporcionar accés a les guies d'ona òptiques i es va convertir en òpticament brillant (mode brillant). L'altre mode es va localitzar al segon anell que es va desacoblar geomètricament des de la guia d'ona òptica d'entrada fins a convertir-se en  òpticament fosc. En conseqüència, els científics van demostrar un control coherent i dinàmic d'una molècula fotònica de dos nivells amb camps de microones i el seu emmagatzematge/recuperació de fotons sota demanda a través d'experiments meticulosos en l'estudi. El treball obre un camí cap a una nova forma de control sobre els fotons. Els resultats són un pas inicial amb aplicacions potencialment immediates en processament de senyals i la fotònica quàntica.

Emmagatzematge sota demanda i recuperació de llum mitjançant un mode  fotònic fosc. a) La molècula fotònica està programada per donar lloc a modes localitzats brillants i foscos. Com a resultat, es pot accedir al mode brillant des de la guia d'ona òptica, mentre que el mode fosc no pot (es prohibeix per la geometria). b) Un camp de microones aplicat al sistema pot induir un acoblament efectiu entre els modes brillant i fosc, indicat per l'encreuament evitat en l'espectre de transmissió òptica. c) La llum es pot emmagatzemar i recuperar mitjançant el parell de mode brillant-fosc i el control de microones. Es pot aplicar un pols de microones per transferir la llum del mode brillant a la foscor. A mesura que el microones no està actiu, la llum queda restringida de qualsevol acoblament d'ona de guia externa. Després d'un cert temps desitjat d'emmagatzematge, un segon pols de microones obté la llum des de la foscor fins al mode brillant. γ, γi i γex són les vides del mode òptic brillant, l'amortiment intrínsec i la taxa d'acoblament de guia d'ona, respectivament. d) La llum recuperada del mode fosc mesurat en diferents retards de temps, mostrats per les restes de dalt a baix amb un increment de retard de 0,5 ns. Inserció: la intensitat extreta de la llum recuperada mostra gairebé el doble de vida del mode brillant acoblat críticament. Les barres d'error mostren la incertesa en la lectura d'intensitat òptica. MW, microones; NT, transmissió normalitzada; au, unitats arbitràries. Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y 

Els paràmetres de disseny dels ressonadors acoblats, proporcionen un espai per investigar el control dinàmic dels sistemes fotònics de dos nivells i de diversos nivells, donant lloc a una nova classe de tecnologies fotòniques. Els científics preveuen que aquestes troballes donaran lloc a avenços en la fotònica topològica, els conceptes avançats de computació fotònica i els sistemes quàntics-òptics basats en freqüència en xip en un futur pròxim.

 Font: Science X Network

Sensor sensible per la pell humana

Els nens nascuts prematurament, sovint desenvolupen neuromotores i discapacitats cognitives. La millor manera de reduir els impactes d'aquestes discapacitats és captar-los amb una sèrie de proves cognitives i motores. Però mesurar i registrar amb precisió aquestes funcions dels nens petits és complicat. Els investigadors de la Universitat de Harvard, han desenvolupat un sensor  no tòxic que s'adjunta a la mà de manera discreta  i que mesura  el moviment de la mà i els dits.

La investigació es va publicar al Advanced Functional Materials i és una col·laboració entre The Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), The Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Beth Israel Deaconess Medical Center i Boston Children's Hospital.

Un nou element del sensor, és una solució líquida no tòxica i altament conductora.

S'ha desenvolupat un nou tipus de líquid conductor que no és més perillós que una petita gota d'aigua salada. És quatre vegades més conductiu que les anteriors solucions biocompatibles, donant lloc a dades més netes i menys sorolloses.

L'Oficina de Desenvolupament Tecnològic de Harvard, ha presentat una llista de propietat intel·lectual relacionada amb l'arquitectura de nous sensors  per buscar oportunitats de comercialització per a aquestes tecnologies.

Els sensors segurs i suaus a la part superior i la punta del dit índex, detecten els moviments, la tensió i la força del dit mentre realitzen diferents activitats, com ara flexionar i estendre el dit i recollir pesos i caixes. (Imatge / vídeo cortesia de Siyi Xu, Daniel M. Vogt i Andreas W. Rousing / Harvard SEAS) Font: Siyi Xu, Daniel M. Vogt i Andreas W. Rousing / Harvard SEAS.

La solució de detecció es realitza a partir del iodur de potassi, que és un suplement dietètic comú, i el glicerol, que és un additiu alimentari comú. Després d'un breu període de mescla, el glicerol trenca l'estructura cristal·lina del iodur potàssic i forma cations de potassi (K +) i ions de iodur (I-), fent que  conductiu al líquid. Atès que el glicerol té una menor taxa d'evaporació que l'aigua, i el iodur de potassi és altament soluble, el líquid és molt conductiu i també, estable a través d'un rang de temperatures i nivells d'humitat.

Anteriorment, s'havien fet sensors biocompatibles utilitzant solucions de clorur de sodi-licerol, però aquestes solucions tenen baixes conductivitats, el que fa que les dades del sensor siguin molt sorolloses. El disseny dels sensors també tenen  en compte als nens. En lloc d'un guant voluminós, el sensor de cautxú de silicona es troba al damunt del dit.

Sovint es veu que els nens que neixen prematurament o que han estat diagnosticats amb trastorns de desenvolupament precoç, tenen una pell molt sensible. En enganxar-se a la part superior del dit, aquest dispositiu proporciona informació precisa mentre es mou la  mà del nen.

Goldfield és l'investigador principal del projecte Flexible Electronics for Toddlers a l'Institut Wyss, que dissenya sistemes modulars per a nens petits nascuts prematurament i amb risc de paràlisi cerebral.

Actualment Goldfield i els seus col·legues, estudien la funció del motor mitjançant Motion Capture Lab a SEAS i Wyss. Tot i que la captura de moviment pot dir molt sobre el moviment, no pot mesurar la força, que és fonamental per al diagnòstic del desenvolupament  neuromotor i de les discapacitats cognitives del desenvolupament.

El diagnòstic precoç és la clau quan es tracta d'aquestes discapacitats del desenvolupament i aquest sensor, pot oferir molts avantatges que no estan disponibles actualment.

El dispositiu, només es va provar en mans d'adults. A continuació, els investigadors planegen reduir el dispositiu i provar-lo en  les mans dels nens.

La capacitat de quantificar moviments complexos humans, ens proporciona una eina de diagnòstic sense precedents. L'enfocament en el desenvolupament de les habilitats motores en els nens petits, presenten reptes únics per a la integració de molts sensors en un petit dispositiu portàtil, lleuger i discret, aquests nous sensors resolen aquests reptes i si podem crear sensors portàtils per a aquesta  tasca, tan exigent. Es creu que, això també obrirà aplicacions en diagnòstics terapèutics, interfícies humans-computadores i la  realitat virtual.

Font: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

La càmera més ràpides del món captura el moviment dels electrons.

En les cel·les solar, durant la conversió de la llum en electricitat,  es perd una gran part de l'energia de la llum d'entrada. Això es deu al comportament dels electrons dins dels materials. Si la llum toca un material abans de passar l'energia al medi ambient, enèrgicament aquesta estimula als electrons  durant una fracció de segon. A causa de la seva curta durada (uns pocs femtosegons), pràcticament aquests processos  no han estat explorats fins ara. Un equip de l'Institut de Física Aplicada i Experimental de la Universitat de Kiel (CAU), sota la direcció del professor Michael Bauer i el professor Kai Roßnagel, ha aconseguit investigar l'intercanvi energètic dels electrons amb el seu entorn en temps real i, per tant, distingir fases individuals. En el seu experiment, van irradiar el grafit amb un pols ultra-intens de llum  i van filmar l'impacte sobre el comportament dels electrons. L'entesa complerta dels processos fonamentals implicats podria ser important en el futur per a aplicacions en components optoelectrònics ultra-ràpits. L'equip de recerca ha publicat aquests  resultats a una actual edició  de la revista Physical Review Letters.

Les propietats d'un material depenen del comportament dels seus electrons i àtoms constituents. Un model bàsic per descriure el comportament dels electrons és el concepte de l'anomenat gas Fermi, que porta el nom del guanyador del Premi Nobel Enrico Fermi. En aquest model, els electrons del material es consideren un sistema gasós. D'aquesta manera, és possible descriure les seves interaccions entre ells. Per seguir en temps real el comportament dels electrons sobre la base d'aquesta descripció, l'equip de recerca de Kiel va desenvolupar un experiment per a investigacions amb una resolució temporal extrema: 

Si una mostra de material és irradiada amb un pols ultrafast de llum, els electrons són estimulats durant un curt període. Un segon pols de llum retardat, allibera alguns d'aquests electrons del sòlid. 

Una detallat anàlisi d'aquests,, permet treure conclusions sobre les propietats electròniques del material després de la primera estimulació amb la llum. Una càmera especial  com és la de la llum d'energia introduïda, es distribueix a través del sistema electrònic.

La característica especial del sistema de Kiel, és la seva extremadament alta resolució temporal  de 13 femtosegons. Això el converteix en una de les càmeres electròniques més ràpides del món. Gràcies a la durada molt curta dels polsos de llum utilitzats, es pot filmar en viu processos ultra-ràpids. Aquestes investigacions han demostrat que hi ha una sorprenent quantitat de coses que passen.

En el seu experiment actual, l'equip de recerca va irradiar una mostra de grafit amb un pols de llum curt i intens  de només set  femtosegons. El grafit es caracteritza per una senzilla estructura electrònica. Així, els processos fonamentals es podien observar de manera particularment clara. En l'experiment, les partícules de llum impactant-també anomenades fotons- van alterar l'equilibri tèrmic dels electrons. Aquest equilibri descriu una condició en què predomina una temperatura definible amb exactitud entre els electrons. L'equip de recerca de Kiel, va filmar el comportament dels electrons, fins que es va restaurar un balanç després d'uns 50 femtosegons.

Nombroses interaccions en un període extremadament curt

En fer-ho, els científics van observar nombrosos processos d'interacció d'electrons excitats amb els impactats fotons, així com amb àtoms i altres electrons en el material. Sobre la base de la pel·lícula, fins i tot, es podrien distingir diferents fases dins d'aquest període: en primer lloc, els electrons irradiats van absorbir l'energia lluminosa dels fotons en el grafit, transformant-la en energia elèctrica. A continuació, l'energia es va distribuir a altres electrons, abans que passessin als àtoms que l'envolten. En aquest últim procés, l'energia elèctrica es converteix definitivament en calor i el grafit s'escalfa.

Els experiments de l'equip de recerca de Kiel també confirmen prediccions teòriques per primera vegada. Permeten una nova perspectiva sobre un tema de recerca que pràcticament no s'ha investigat a curt termini. A través de les  noves possibilitats tècniques, aquests processos fonamentals i complexos es poden observar directament per primera vegada. Llavors, aquest enfocament també es podria aplicar en el futur per investigar i optimitzar moviments ultraràpids d'electrons  en materials amb propietats prometedores òptiques.

 Font: Universitat de Kiel

Fortes interaccions que produeixen un ball entre la llum i el so.

Les ones acústiques de so  i les de la llum d'alta freqüència,  poden unir-se fortament i fer una dansa al seu pas en una petita estructura de vidre.

Un equip d'investigadors de l'Imperial College de Londres, la Universitat d'Oxford i el Laboratori Nacional de Física, han aconseguit un experimental objectiu  que demostra l'anomenat " règim d'acoblament fort" entre les vibracions acústiques i les d'alta freqüència de la llum.

La investigació de l'equip tindrà repercussió en el processament d'informació clàssica i quàntica; fins i tot, en la comprovació a gran escala de la mecànica quàntica. Els detalls de la seva recerca s'han publicat recentment en la prestigiosa revista Optica.

Els resultats sobre la investigació de l'equip, són ressonàncies en forma de whispering-gallery-mode on la llum rebota moltes vegades al voltant de la superfície d'una diminuta estructura de vidre  rodona  que es mostra a la següent figura:

Aquest fenomen, dona nom a un efecte que es va observar a la catedral de Sant Pau en el segle XIX, on es podia xiuxiuejar al llarg de la paret de l'edifici de la galeria rodona  i ser escoltat a l'altre costat.

És fascinant que aquests ressonadors d'anells de vidre, puguin emmagatzemar grans quantitats de llum, que poden " sacsejar " les molècules del material i generar ones acústiques, segons va dir el coautor del projecte Dr. Pascal Del'Haye del National Physical Laboratory.

A mesura que la llum circula per la circumferència de l'estructura de vidre, aquesta interactua amb una vibració acústica de 11 GHz que fa que la llum es dispersi en sentit invers. Aquesta interacció permet intercanviar energia entre la llum i el so a una velocitat determinada.

Llavors, tant els camps de llum com els de so decauen a causa de processos similars a la fricció, que impedeixen que els dos ballin al seu pas.

L'equip va superar aquest repte mitjançant la utilització de dues ressonàncies d'aquest tipus de càmeres de manera que, va aconseguir una velocitat més gran d'acoblament, respecte aquests processos de fricció, cosa que permet observar les marques del ball de  la llum.

L'autor principal del projecte, Georg Enzian de la Universitat d'Oxford, va dir: "Aconseguir aquest  règim d'acoblament fort, ha estat un gran moment  per a nosaltres". El professor Ian Walmsley, coautor del projecte, i Provost of Imperial College de Londres, va dir: "Estic molt entusiasmat amb les perspectives a curt i llarg termini d'aquesta nova plataforma experimental".

Amb vista al futur, l'equip està preparant la pròxima generació d'aquests experiments els quals, funcionaran a temperatures properes al zero absolut. Això permetrà que el comportament mecànic-quàntic sigui altament sensible, fent possible explorar i utilitzar per als desenvolupaments de tecnologies quàntiques.

Font Imperial College London  

Preses del riu Mekong

S'estan proposant centenars de preses per a la conca del riu Mekong al sud-est asiàtic. Les negatives  conseqüències socials i ambientals  afecten a tot plegat, com és la seguretat alimentària, al medi ambient, que superen amb escreix els canvis positius d'aquest control d'inundacions a gran escala, segons una nova investigació de la Universitat Estatal de Michigan.

Els resultats, publicats recentment en  Scientifics Reports, són els primers en abordar els possibles canvis ambientals en general, sobre com la conca podria evolucionar a partir de l'aprofitament de la hidroelèctrica de la regió.

El riu Mekong és un dels pocs grans i complexos sistemes fluvials que es mantenen gairebé sense traves. No obstant això, el ràpid creixement socio-econòmic, l'augment de les demandes energètiques i les oportunitats geopolítiques han conduït a la construcció de grans preses hidroelèctriques en tota la conca.

A la part superior de la conca, s'estan construint desenes de mega-preses. A la regió baixa, es planifiquen centenars de preses algunes de les quals, també són grans.

Tot i que hi ha molts efectes positius pel control d'inundacions, els investigadors es van centrar en la reducció de les inundacions provocades pels monzons que serien retingudes per les preses. Aquests períodes anuals proporcionen aigua i nutrients molts necessaris a les regions d'aigües avall.

Qualsevol alteració important dels períodes estacionals, fàcilment podrien canviar  la dinàmica de les zones planes d'inundació. Això podria afectar seriosament una àmplia gamma d'ecosistemes i afectar a la seguretat alimentària regional.

Una via fluvial, en particular, el riu Tonle Sap, que connecta el riu Mekong i el llac Tonle Sap, és una de les zones pesqueres d'aigua dolça més productiva del món. Els monsons inunden el Tonle Sap i, de fet, inverteixen el flux del riu cada any. Això porta aigua i sediments del riu Mekong al riu Tonle i també, al llac Tonle Sap.

Les regulacions de flux poden interrompre la dinàmica de les inundacions del riu Tonle Sap. De fet, aquests models indiquen que la reversió del flux de TSR podria cessar completament si el periòde d'inundació del riu Mekong disminueix un 50% i es retarda un mes.

L'equip de científics MSU que formaven part d'aquest estudi incloïa Sanghoon Shin, Zihan Lin i Jiaguo Qi. Dai Yamazaki, de la Universitat de Tòquio, també va contribuir a aquesta investigació.

Font: Michigan State University 

Analiisi del llenguatge oral i les expressions facials 3D per combatre la depressió.

Investigadors de Stanford, recentement han explorat  l'ús del deep-learning per mesurar la gravetat dels símptomes depressius mitjançant l'anàlisi del llenguatge parlat i les expressions facials en 3-D. El seu mètode multimodal, prèviament esbossat  en un document publicat a arXiv, va aconseguir resultats molt prometedors, amb una sensibilitat del 83,3% i una especificitat del 82,6%.

Actualment, més de 300 milions de persones a tot el món pateixen  trastorns de la depressió en diversos graus. En casos extrems, la depressió pot conduir al suïcidi, amb una mitjana d'aproximadament 800.000 persones que se suïciden cada any.

Els trastorns de la salut mental són diagnosticats actualment per un ampli ventall d'assistents sanitaris, inclosos els metges d'atenció primària, psicòlegs clínics i psiquiatres. No obstant això, detectar malalties mentals sol ser molt més difícil que diagnosticar malalties físiques.

Diversos factors, incloent l'estigma social , el cost del tractament i la disponibilitat, poden evitar que els individus afectats busquin ajuda. Actualment, els investigadors estimen que el 60% dels afectats per malalties mentals no reben tractament.

El desenvolupament de mètodes que detectin de manera automàtica els símptomes depressius, podrien millorar la precisió i la disponibilitat d'eines de diagnòstic, que condueixen a intervencions més ràpides i eficients. Un equip d'investigadors de Stanford ha investigat recentment l'ús del deep-learning per mesurar la gravetat dels símptomes depressius.

En aquest treball, es presenta un mètode de deep-learning per mesurar la gravetat dels símptomes depressius. Aquest mètode multimodal utilitza expressions facials en 3D i llenguatge oral, comunament disponibles a partir dels telèfons mòbils moderns.

En general, el model és una Convolutional Neural Network ( CNN )causal. L'entrada del model és: l'àudio, l'escaneig facial en 3D i el text. La incrustació de la frase multimodal s'alimenta a un classificador de depressió i al model de regressió de PHQ.
Font: Haque et al.

Els individus deprimits sovint presenten una sèrie de símptomes verbals i no verbals, incloent-hi el to monòton, la reducció de la velocitat de l'articulació, el volum inferior de parla, menys gestos i més mirades cap avall. Una de les proves més comunes per avaluar la gravetat dels símptomes de depressió és el qüestionari de salut del pacient (PHQ).

El mètode ideat pels investigadors analitza les pistes d'àudio de la veu dels pacients, el vídeo en 3-D de les seves expressions facials i les transcripcions de text de les seves entrevistes clíniques. A partir d'aquestes dades, el model produeix una puntuació de PHQ o una etiqueta de classificació que indica un trastorn depressiu major.

En una avaluació inicial, el model va aconseguir un error mitjà de 3,67 punts (15,3% relatiu), en l'escala PHQ, detectant trastorn depressiu major amb 83,3% de sensibilitat i 82,6% d'especificitat. Els investigadors van optar per recollir les dades utilitzades en el seu estudi a través d'entrevistes entre humans i ordinadors, en comptes de les entre humans.

En comparació amb un entrevistador humà, la investigació ha demostrat que els pacients presenten menys por a la divulgació i mostren més intensitat emocional quan conversen amb un avatar. A més, la gent experimenta beneficis psicològics per revelar experiències emocionals als xats.

En el futur, aquest nou mètode de deep-learning es podria desplegar als telèfons intel·ligents de tot el món, ajudant a la missió de fer que l'atenció mèdica sigui més econòmica i més accessible. Segons els investigadors, el seu model està dissenyat per augmentar i complementar els mètodes clínics existents, en comptes d'emetre diagnòstics formals.

Això repersenta que és un mètode de deep-learning multimodal que combina tècniques del reconeixement de veu, la visió per computadora i el processament del llenguatge natural. S'espera que aquest treball inspiri als altres per construir eines basades en  la IA per comprendre trastorns de la salut mental més enllà de la depressió.

Font: Universitat de Stanford

Nova bateria basada en ions de fluorur.

Un nou estudi que apareix a la revista Science,  químics de diverses institucions, incloent Caltech i el Jet Propulsion Laboratory, gestionats per Caltech  a la NASA, així com l'Institut de Recerca Honda i el Laboratori Nacional Lawrence Berkeley, han topat amb una nova forma de fer bateries recarregables basades en fluor.

Les bateries de fluor poden tenir una major densitat d'energia, la qual cosa significa que poden durar més de vuit vegades que les que s'utilitzen avui. Però el flúor és molt corrosiu i reactiu.

A la dècada del 1970, els investigadors van intentar crear bateries de fluorur recarregables que utilitzaven components sòlids, però les bateries d'estat sòlid només funcionen a altes temperatures. En el nou estudi, els autors expliquen com fer que les bateries de fluorur funcionen amb components líquids, i aquestes  funcionin fàcilment a temperatura ambient.

Encara s'està en les primeres etapes del desenvolupament, però aquesta és la primera bateria de flúor recarregable que funciona a temperatura ambient.

Les bateries condueixen els corrents elèctrics movent els àtoms carregats (o ions) entre un elèctrode positiu i un negatiu. Aquest procés, és millor a temperatura ambient quan hi ha líquids. En el cas de les bateries d'ions de liti, el liti s'intercanvia entre els elèctrodes amb l'ajuda d'una solució líquida o electròlit.

El proces de recarregar una bateria, és com empènyer una pilota fins a un turó i deixar que torni a retrocedir, una i una altra vegada. 

Mentre que els ions de liti són positius (anomenats cations), els ions de fluorur utilitzats en el nou estudi tenen una càrrega negativa (i es diuen anions). Hi ha reptes i avantatges per treballar amb els anions en les bateries.

Per a una bateria que ha de durar més temps, cal moure un nombre més elevat de càrregues. És difícil fer moviments de cations metàl·lics amb càrrega múltiple, però es pot aconseguir un resultat similar movent diversos anions carregats individualment, viatgen  amb més facilitat. Els reptes amb aquest esquema fan que el sistema funcioni a valors de tensions utilis. En aquest nou estudi, es demostra que els anions són realment d'interès per la ciència de la bateria ja que mostren que el fluor pot funcionar a tensions suficientment altes.

La clau per fer que les bateries de fluorur funcionin en un estat líquid en lloc d'un estat sòlid és gràcies a  un líquid electrolític anomenat  BTFE. Aquest dissolvent és el que ajuda a mantenir al iò de fluor estable perquè pugui transmetre els electrons anar i tornar a la bateria. 

Font: Institut de Tecnologia de Califòrnia

Desplegament del 5G.

El desplegament del 5G està en marxa, per tot el món. 

Els proveïdors estan creant infraestructures i les agències governamentals assignen espectre pel 5G. Tanmateix, en alguns països, el pas és difícil. A Alemanya, per exemple, els operadors de xarxes i els grups industrials han criticat durament a l'Agència Federal de Xarxes sobre la seva pròxima subhasta de l'espectre 5G.

El problema és si l'Agència Federal de Xarxes de Alemanya- Bundesnetzagentur (BNetzA), té expectatives poc realistes sobre el tipus de cobertura que els proveïdors poden implementar amb l'espectre. Un grup industrial, el Sistema Mundial d'Associació de Comunicacions Mòbils (GSMA), ha argumentat que les condicions de llicència de l'espectre de BNetzA podrien posar en risc la capacitat d'Alemanya de desenvolupar una xarxa 5G que permeti als seus sectors industrial i tecnològic mantenir la competitivitat.

La subhasta assignarà freqüències a les bandes de 2GHz i 3.4 a 3.7 GHz en blocs o canalitzacion de 5 MHz. Els operadors faran una oferta en blocs individuals per a les regions geogràfiques específiques, un procés que durarà diverses rondes fins que no hi hagi ofertes més altes. El període de sol·licitud de la subhasta -que ha estat programat per a la primavera de 2019- es va obrir el 26 de novembre, i els licitadors interessats tenen fins al 25 de gener del 2019 per presentar una sol·licitud. Cada operador té el dret exclusiu d'utilitzar les canalitzacions de 5 MHz, a les regions específiques que guanyin.

En una declaració ala IEEE Spectrum , BNetzA va dir que les freqüències de ràdio mòbil es distribueixen de manera neutral en la tecnologia i que l'agència no recomana normes específiques per la ràdio mòbil. Però és possible que l'actitud tecnològica agressiva de BNetzA a l'hora d'utilitzar aquest espectre per crear una xarxa 5G a tot el país pugui provocar un 'incendi' per part de l'operador per generar xarxes avançades de 4G en lloc de veritables xarxes de 5G.

L'agnosticisme tecnològic i de normes de la BNetzA no semblen estar bé amb la GSMA. En una resposta a l'anunci de BNetzA, en que gran part de la banda C (3.4-3.8 GHz) es publicaria per al desenvolupament d'infraestructura 5G en les properes subhastes, la GSMA va assenyalar, que les obligacions de cobertura proposades "semblen ignorar les lleis de la física".

La GSMA, ha explciat que després d'afirmar que les condicions de la llicència del BNetzA podrien "enverinar" les inversions del 5G. Per a qualsevol operador que tingui una llicència per a un fragment d'espectre de la banda C, BNetzA els obligarà a cobrir el 98 % de la població, a més de proporcionar cobertura per les carreteres,  camins rurals, vies navegables i ferrocarrils. Tota la cobertura ha d'oferir almenys, 100 Mbps i 10 ms de latència, encara que s'espera que les xarxes 5G proporcionin taxes d'enllaç descendent molt més elevades, especialment en zones denses urbanes. Els proveïdors han de complir aquestes obligacions de cobertura pel 2022.

BNetzA, també proposa  100 Mbps i latències de 10 ms per a les xarxes actuals de 4G LTE. No obstant això, com a conseqüència de les longituds d'ona de la freqüència més baixa del LTE, presenten a una propagació millor a llargues distàncies.

El problema amb la banda C, com tots els senyals d'alta freqüència, és el que es propaga. La incapacitat de la banda per penetrar a les parets, per exemple, és un dels majors problemes amb què s'enfronten els enginyers en desenvolupar i implementar xarxes 5G. Fins i tot en un espai obert, els senyals de la banda C  es propagen només a poca distància a causa de la humitat de l'atmosfera. La pluja, agreuja el problema.

Els operadors de xarxa, que són membres de la GSMA, també argumenten que la inversió necessària per proporcionar la quantitat de cobertura d'una àrea àmplia mitjançant la banda C, superarà àmpliament el valor obtingut. Deutsche Telekom, en un comunicat a la IEEE Spectrum, va dir que en part  "qualsevol reglament en la direcció de la roaming nacional obligatòria és hostil a la inversió, especialment per al subministrament d'àrees rurals". Un portaveu de Telefónica va explicar que la velocitat i la zona de BNetzA probablement generaran xarxes avançades de 4G que cobreixin aquestes àrees, en comptes de veritables xarxes de 5G.

Els proveïdors de països de tot el món reconeixen que una xarxa 5G requereix múltiples freqüències utilitzades coordinadament per tenir èxit. A part de l'espectre de la banda C, les ones mil·limètriques d'espectre  a freqúencies de 0,6 -60 GHz, tindran un paper fonamental en proporcionar taxes de dades extremadament altes en àmplies àrees.

Font:IEEE Spectrum

Nova classe de metamaterials que canvien les propietats físiques en segons.

Els metamaterials, semblen una tecnologia que estigui només a l'abast de la ciència ficció. A causa de la forma en què aquests materials es veuen afectat pels fenòmens electromagnètics i també, pels atributs físics es pot fer que els objectes siguin invisibles.

Tot i que les capacitats d'invisibilitat són sorprenents, els metamaterials ja ofereixen aplicacions comercials, com ara  les noves tecnologies d'antenes per a telèfons mòbils. Per arribar al punt on els metamaterials no són només una curiositat, sinó  una tecnologia comercial viable, han hagut d'evolucionar diversos aspectes.

Un exemple és el treball d'un equip d'investigadors del Laboratori Nacional de Lawrence Livermore (LLNL) i de la Universitat de Califòrnia de San Diego (UCSD). S'han utilitzat els anomenats metamaterials mecànics -que presenten propietats mecàniques úniques que no existeixen a la natura- per crear un nou material el qual, pot canviar de rígid a flexible en resposta a un camp magnètic. Els investigadors esperen que aquest nou material pugui introduir nous enfocaments per a dispositius portàtils i per la robòtica.

Els metamaterials mecànics d'avui, han demostrat la seva vàlua amb propietats atractives, com és l'expansió tèrmica negativa, una gran resistència i rigidesa amb un baix pes. Tanmateix, una vegada s'han construït,  es queden atrapat amb les seves propietats que no es poden canviar ni ajustar.

S'ha intentat de crear un metamaterial mecànic amb propietats mecàniques sintonitzables  a través d'una aplicació d'un camp magnètic fàcil sense provocar un canvi significatiu de forma.

Per crear els seus metamaterials mecànics 'sintonitzables', els investigadors es van adreçar a l'anomenada impressió "tridimensional". Pren el seu nom pel fet que aquests objectes impresos en 3D canvien de forma al llarg del temps, i el temps és la quarta dimensió. Normalment, una estructura d'aquest tipus respon a un estímul (per exemple, calor, hidratació o camp magnètic) que el fa canviar de forma.

Els metamaterials responsables del camp (FRMM) desenvolupats pels investigadors, canvien les seves propietats en resposta a una variació d'un camp magnètic. Tanmateix, a diferència dels típics materials impresos 4D, no canvien la seva forma general, sinó que només canvien la seva rigidesa.

Es va tractar crear explícitament materials on les propietats canviessin però la forma no ho fes, classificant així aquest treball fora de l'àmbit del materials impressos 4D.

La creació de FRMM és relativament senzilla. El primer pas és imprimir en 3D un metamaterial mecànic que es construeix a partir de guies buides en comptes de les típiques bigues sòlides. Una vegada que el metamaterial tubular buit s'imprimeix, el líquid magnetorheològic (MR) s'introdueix en els nuclis de les guies completant el procés de fabricació del FRMM.

En el fluid MR, és on es produeix l'efecte magneto-mecànic. El fluid MR està construït amb partícules magnètiques, suspeses en un medi no magnètic. Quan el líquid es troba en presència d'un camp magnètic, les partícules magnètiques s'alineen en cadenes al llarg de les línies del camp magnètic, augmentant la rigidesa del fluid i augmentant simultàniament la rigidesa general de les estructures. Quan s'elimina el camp magnètic, el MR del fluid es comporta com a líquid i és capaç de fluir lliurement.

El que és realment important és que aquest [efecte magneto-mecànic] no és només una resposta on / off; la rigidesa de les estructures es pot ajustar amb la força del camp magnètic aplicat. Escollint acuradament l'estructura tubular que s'ha utilitzat, les propietats mecàniques dels  FRMM poden mostrar fins a un augment del 318 % en la rigidesa de la tensió en menys d'un segon.

Es creu que els FRMM podrien utilitzar-se com a unions de rigidesa variable en robòtica i podrien integrar-se en dispositius intel·ligents ja que, són flexibles en absència d'un camp magnètic i després canviar les propietats per absorbir un impacte o vibració quan es detecta una amenaça.

La tecnologia encara no existeix. Aconseguir metamaterials sensibles al camp en el camp requeriria mètodes de fabricació més ràpids i més fiables. 

Font: IEEE spectrum

Sistema AlphaZero, Intel·ligència Artificial capaç d'aprendre jugant.

Un equip d'investigadors conjutament amb el grup DeepMind i la University College, del Regne Unit, han desenvolupat un sistema d'intel·ligència Artificial (IA), capaç d'ensenyar-se a jugar i dominar tres jocs difícils de taula. En l'article publicat a la revista Science, el grup descriu el seu nou sistema i explica per què creuen que representa un gran pas endavant en el desenvolupament de sistemes d'IA. Murray Campbell conjutament amb el Centre d'Investigació TJ Watson als EUA, ofereixen una perspectiva sobre el treball realitzat per l'equip en el mateix número de la revista.

Han passat més de 20 anys des que un supercomputador conegut com Deep Blue  guanyés al campió mundial d'escacs Gary Kasparov, mostrant al món fins a quin punt havia arribat la informàtica basada en l'IA. Des de fa anys, les computadores es van fent cada vegada més intel·ligents i ara guanyen als éssers humans en jocs com ara els escacs, el Shogi o el Go. Però aquests sistemes s'han ajustat per fer-los molt bons en un sol joc o partida. En aquest nou treball, els investigadors han creat un sistema d'IA que no només és bo en més d'un joc, sinó que aprén d'aquesta experiència per si mateix.

El nou sistema, anomenat AlphaZero, és un sistema de hard deep-learning, el que significa que aprèn jugant repetidament un joc aprenent de les seves pròpies experiències. Això és, per descomptat, molt similar a com els humans aprenen. S'estableix un conjunt bàsic de regles i, a continuació, l'ordinador juga el joc amb ell mateix. Ni tan sols cal jugar amb altres. Es reprodueix repetidament, observant quines jugades constitueixen bons moviments i, per tant, guanyen, i quines constitueixen mals canvis i per tant, pèrden. Amb el temps, millora. Finalment, es torna tan bó, que pot vèncer, no només als humans, sinó a altres sistemes d'IA dedicats als jocs de taula. El sistema també va utilitzar un mètode de cerca conegut com a cerca d'arbres de Monte Carlo. La combinació de les dues tecnologies permet al sistema ensenyar-se a millorar el joc. 

Font: Xarxa Science X

Energia en l'acoblament de l'òrbita de gir en el silici

Científics australians han investigat noves linies per augmentar els qubits, utilitzant l'acoblament espín-òrbita dels qubits de l'àtom.

Gràcies al grau de llibertat orbital, l'acoblament de l'òrbita de l'espín permet la manipulació dels qubits a través de camps elèctrics, en lloc de camps magnètics. L'ús de l'acoblament elèctric dipolar entre qubits, vol dir que aquests, es poden separar més oferint més flexibilitat en el procés de fabricació de xips.

En un d'aquests enfocaments, publicat en Science Advancements, un equip de científics  de la UNSW dirigit pel professor Sven Rogge, ha investigat l'acoblament espín-òrbita d'un àtom de bor en silici.

Els àtoms únics de bor  en silici, són un sistema quàntic relativament inexplorat, però aquesta investigació ha demostrat que l'acoblament de l'espín-òrbita proporciona molts avantatges per augmentar fins a una gran quantitat de qubits per la informàtica quàntica.

Seguint els anteriors resultats  de l'equip de la UNSW, publicat el mes de Novembre del 2018 en el Physical Review X , el grup de Rogge, ara s'ha pogut centrar per aplicar ràpidament un estat de spin (1 o 0) de només dos àtoms de bor en un circuit extremadament compacte, tots allotjats en un transistor comercial.

Els àtoms en matriu de bor de silici, permeten una ràpida manipulació dels qubit i un acoblament d'aquest a grans distàncies. La interacció elèctrica també permet l'acoblament a altres sistemes quàntics, obrint les perspectives dels sistemes quàntics híbrids.

Una altra de les recents investigacions de l'equip de la professora Michelle Simmons a la UNSW, ha destacat el paper de l'acoblament d'òrbita de l'spin en qubits a base d'àtoms de silici, aquesta vegada amb qubits d'àtom de fòsfor. La investigació s'ha publicat recentment a la  npj Quantum Information.

Aquesta recerca va revelar resultats sorprenents. Pel que fa als electrons en el silici, i en particular els que estan lligats al control de l'òrbita dels  quibits, es consideraven com a febles, donant lloc a llargs temps de vida  d'spins. No obstant això, els últims resultats van revelar un acoblament desconegut prèviament de l'spin d'electrons als camps elèctrics que normalment es troben en arquitectures de dispositius creades per elèctrodes de control.

Amb una acurada alineació del camp magnètic extern amb els camps elèctrics en un dispositiu d'enginyeria atòmica, s'ha trobat un mitjà per ampliar aquests temps d'espín a minuts.

Davant els llargs períodes de coherència i els avantatges tecnològics del silici, aquest acoblament recentment descobert del gir donant camps elèctrics, proporciona un camí per a les tècniques de ressonància d'spin activades elèctricament, que prometen una alta selectivitat dels qubits.

Tots dos resultats destaquen els beneficis en la comprensió i en el control de l'acoblament d'òrbita de l'spin per a les arquitectures de computació quàntica a gran escala.

Des del Maig del 2017, la primera companyia informàtica quàntica d'Austràlia, Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC), ha estat treballant per crear i comercialitzar una computadora quàntica basada en un conjunt de propietats intel·lectuals desenvolupades al Centre d'Excel·lència per a la Computació Quàntica i les Tecnologies de la Comunicació d'Austràlia ( CQC2T). El seu objectiu és produir un prototip de 10-quítits en silici cap al 2022 com a precursor d'una computadora quàntica basada en el silici comercial.

A més de desenvolupar la seva pròpia tecnologia patentada i la propietat intel·lectual, SQC continuarà treballant amb CQC2T i altres participants, en els ecosistemes del Quantum Computing d'Austràlia, per construir i desenvolupar una indústria de computació quàntica de silici a Austràlia i, en definitiva,  serveis pels mercats globals.

 Font: Universitat de Nova Gal·les del Sud

'Sol en una caixa' que emmagatzemaria energia de fonts renovable.

Enginyers del MIT han elaborat un disseny conceptual per a un sistema d'emmagatzematge d'energies renovables, com són l'energia solar i l'eòlica,  per retornar aquesta energia a una xarxa elèctrica sota demanda. El sistema pot ser dissenyat per subministrar energia elèctrica a una petita ciutat no només quan hi hagi Sol o  vent, sinó durant tot el dia.

El nou disseny emmagatzema la calor generada per l'excés d' electricitat a partir de l'energia solar o eòlica en grans dipòsits de silici fòsmic i converteix la llum en electricitat quan es necessari. Els investigadors estimen que aquest sistema seria molt més assequible que les bateries de ions de liti, ja que s'ha proposat com un mètode viable, encara que costós, per emmagatzemar energies renovables. També estimen que el sistema costaria gairebé la meitat del que val l'emmagatzematge hidroelèctric de bombeig, que encara és  la forma més barata d'emmagatzematge d'energia a gran escala.

Donda a la intermitència en la generació de les fons renovàbles, aquest desenvolupament esdevé com una nova tecnologia que, si tingués èxit, solucionaria aquest crític i important problema sobre l'emmagatzemat que afecta en l'ús de l'energia i el canvi climàtic.

El nou sistema d'emmagatzematge prové d'un projecte en què els investigadors van buscar maneres per augmentar l'eficiència d'una forma d'energia renovable coneguda com a energia solar concentrada. A diferència de les plantes solars convencionals que utilitzen panells solars per convertir la llum directament en electricitat, l'energia solar concentrada requereix de grans superficies amb enormes miralls que concentren la llum del sol en una torre central on la llum es converteix en calor que acaba transformant-se en electricitat.

La raó per la qual la tecnologia és interessant és que, una vegada que es fa aquest procés de focalització de la llum per obtenir calor, es pot emmagatzemar el calor de forma molt més econòmica en comptes d'emmagatzemar electricitat.

Les plantes solars concentrades emmagatzemen la calor solar en grans dipòsits plens de sal, que s'escalfa a altes temperatures. Quan es necessita electricitat, la sal calenta es bombeja a través d'un intercanviador de calor, que transfereix la calor de la sal al vapor. Una turbina transforma mitjançant el seu moviment, aquest vapor en electricitat.

Aquesta tecnologia ha existit durant un temps, però s'ha pensat que el seu cost mai seria prou baix per competir amb el gas natural. Així que, s'ha decidit treballar per operar a temperatures molt més altes, per la qual cosa podria utilitzar un motor de calor més eficient i reduir el cost.

Tanmateix, si es feia escalfar la sal molt més enllà de les temperatures actuals, la sal corroia els dipòsits d'acer inoxidable en què estava emmagatzemada. Així, l'equip d'en Henry va buscar un mitjà que no fos la sal que podria emmagatzemar calor a temperatures molt més altes. Inicialment van proposar un metall líquid i finalment es van establir sobre el silici: el metall més abundant a la Terra, que pot suportar temperatures increïblement elevades de més de 4.000 graus Fahrenheit.

L'any passat, l'equip va desenvolupar una bomba que podia resistir aquesta calor incandescent, de manera que es podria obtenir des de del silici líquid a través d'un sistema d'emmagatzematge renovable. La bomba té la major tolerància a la calor, que ha estat una gesta reconeguda i registrada al "The Guiness Book of World Records". Des d'aquest desenvolupament, l'equip ha dissenyat un sistema d'emmagatzematge d'energia que podria incorporar una bomba d'alta temperatura.

Ara, els investigadors han esbossat el seu concepte per a un nou sistema d'emmagatzematge d'energia renovable, que s'anomena Termal Energy Grid System Múltiple Junction Photovoltaic   TEGS-MPV. En comptes d'utilitzar grans camps amb miralls i una torre central per concentrar calor, es proposen convertir l'energia elèctrica generada per qualsevol font renovable, com és la llum del Sol o el vent, a l'energia tèrmica, a través del calor de Joule.

El sistema podria combinar-se amb els sistemes d'energia renovables existents, com ara les cèl·les solars, per capturar l'excés d'electricitat durant el dia i emmagatzemar-la per a un posterior ús. 

El sistema consistirà en un dipòsit gran i molt aïllat de 10 metres d'ample fet de grafit i farcit de silici líquid, que es mantindrà en una temperatura "freda" de gairebé 3.500 F. Un banc de tubs, exposat a elements calefactors, connecta aquest tanc fred a un segon tanc "calent". Quan l'electricitat de les PV entri al sistema elèctric, aquesta energia es converteix en calor. Mentrestant, el silici líquid es bomba fora del tanc fred i s'escalfa més a mesura que passa a través del banc de tubs exposats als elements calefactors i al tanc calent, on l'energia tèrmica s'emmagatzema a una temperatura molt superior de prop de 4.300 F.

Quan es necessita electricitat, es a dir, quan no hi ha Sol, el silici líquid calent, que és blanc brillant, es bomba a través d'una sèrie de tubs que emeten aquesta llum. Les cèl·les solars, conegudes com a fotovoltaica multigrau, converteixen aquesta llum en electricitat, que es pot subministrar a la xarxa de la ciutat. El silici refrigerat ara es pot tornar a bombar al tanc fred fins a la propera ronda d'emmagatzematge, actuant amb eficàcia com una gran bateria recarregable.

El sistema requeriria dipòsits gruixuts i prou forts per aïllar el líquid fos en el seu interior., per què el material de l'interior ha d'estar molt calent per ser blanc brillant, però el de l'exterior hauria de ser temperatura ambient. Per això, s'han proposat que els tancs estiguin fets de grafit. Però hi ha inquietuts en que el silici, a tan altes temperatures, reaccioni amb el grafit per produir carbur de silici, això, podria corroir el tanc.

Per posar a prova aquesta possibilitat, l'equip va fabricar un dipòsit de grafit en miniatura i el va omplir amb silicòs líquid. Quan el líquid es va mantenir a 3.600 F durant uns 60 minuts, el carbó de silici es va formar, però en comptes de corroir el dipòsit, es va crear una capa prima que va ser protectora. 

El grup també van resoldre un altre repte: ja que els dipòsits del sistema haurien de ser molt grans, seria impossible construir-los a partir d'una sola peça de grafit. Si es fessin a partir de peces múltiples, aquestes haurien de ser segellades de manera que no es filtrés el líquid fos. En el seu article, els investigadors van demostrar que podien evitar qualsevol filtració  amb grafit-flexible que actua com un segellador d'alta temperatura.

S'estima que un sol sistema d'emmagatzematge com el descrit, podria lliurar electriciat 100  % provinent de les energies renovables, a una ciutat  de prop de 100.000 llars.

El disseny del sistema és geogràficament il·limitat, el que significa que es pot ubicar a qualsevol lloc. Això contrasta amb la hidràulica de bombeig,  que requereix ubicacions que necessiten de grans salts d'aigua i preses.

Font:  Massachusetts Institute of Technology

Territori inexplorat per la recerca de la superconductivitat.

Els científics que dibuixen les característiques quàntiques dels superconductors, que són materials que condueixen electricitat sense perdre energia, han entrat en una nova exploració. Mitjançant les eines  OASIS del Laboratori Nacional de Brookhaven del Departament d'Energia dels Estats Units, han descobert  detalls, que anteriorment eren inaccessibles del "diagrama de fase" d'un dels superconductors "d'alta temperatura" més coneguts. Les dades, que recentment han estat mapejades, inclouen senyals del que passa quan la superconductivitat s'esvaeix.

La superconductivitat, pot semblar dolenta, però per estudiar algun fenomen, sempre és bo poder-lo apropar des del seu origen. Si es te l'oportunitat de veure com desapareix la superconductivitat, això al seu torn, podria donar una idea del que causa  la superconductivitat.

Obrir els secrets de la superconductivitat farà front als reptes energètics. Els materials capaços de transportar corrents a llargues distàncies, sense pèrdua, revolucionarien el transport de la potència elèctrica, eliminarien la necessitat de refrigerar centres de dades i, per exemple, generarien noves formes d'emmagatzematge d'energia. Actualment, els superconductors més coneguts,  s'han de mantenir molt freds. Així, els científics han intentat comprendre les característiques clau que causen la superconductivitat en aquests materials amb l'objectiu de descobrir o crear nous materials que puguin funcionar a temperatures més pràctiques per a aquestes aplicacions quotidianes.

L'equip de Brookhaven estudia un conegut superconductor d'alta temperatura fet de capes que inclouen òxid de bismut, òxid d'estronci, calci i òxid de coure (abreujat com BSCCO).  Quan es  va analitzar l'estructura electrònica de la superfície, es van veure signes reveladors de superconductivitat a una temperatura de transició (Tc) de 94 Kelvin (-179 graus centígrads), la temperatura més alta a la qual s'estableix la superconductivitat d'aquest material.

L'equip després va escalfar mostres en ozó (O3) i va trobar que podien aconseguir nivells elevats de dopatge i explorar  prèviament, parts inexplorades del diagrama de fase d'aquest material, que és un gràfic de tipus de mapa que mostra com el material canvia les propietats a diferents temperatures sota diferents condicions.  En aquest cas, la variable a la qual els científics estaven interessats es van afegir algunes càrregues vacants, o "forats" o "dopats" en el material per l'exposició a l'ozó. Els forats faciliten el flux del corrent donant les càrregues (electrons).

Per aquest material, si es comença amb el cristall del compost 'pare', que és un aïllant (que no significa conductivitat), la introducció dels forats produeix superconductivitat. A mesura que s'afegeixen més forats, la superconductivitat es fa més forta i a temperatures més altes fins a un màxim de 94 Kelvin. Després, amb més forats, el material es transforma en un "sobre-dopat ", i la Tc baixa, per aquest material, a 50 K.

Fins a aquest estudi, no es sabia perquè no es podia obtenir cristalls dopats per sobre d'aquest nivell. Però amb aquestes noves dades, porten a un punt de dopatge molt més enllà del límit anterior, fins a un punt en què la Tc no es pot mesurar. Això vol dir que ara es pot explorar tota la corba de superconductivitat en forma de cúpula en aquest material, cosa que no s'havia fet abans.

L'equip va crear mostres escalfades en el buit  i en ozó, també, va traçar punts al llarg de tota la cúpula superconductora. Es va descobrir algunes característiques interessants  del diagrama de fase.

Es va veure  que les coses es fan molt més senzilles. Algunes de les característiques del quirkier que hi ha al costat connegut del mapa i que dificulten la comprensió  sobre la superconductivitat d'alta temperatura, com ara un "pseudogap" en la signatura electrònica i variacions en la densitat de partícules i de càrrega,  desapareixen a l'altgra banda  de la gràfica.

Aquest costat del diagrama de fase, és una mica semblant al que s'espera veure en una superconductivitat més convencional. Quan la superconductivitat està lliure d'aquestes altres coses que compliquen la imatge, el que queda és la superconductivitat que possiblement,  no sigui  poc convencional. Encara es podría  no saber el seu origen, però en aquest costat del diagrama de fase, sembla que la teoria es pot gestionar amb més facilitat i  ofereix una manera més senzilla de veure el problema per intentar entendre què està passant. 

Font: Brookhaven National Laboratory