Ramon

Ramon
Ramon Gallart

diumenge, 30 de setembre del 2018

Llum quàntica de meta-materials superconductors


Les computadores convencionals emmagatzemen la informació en un bit, una unitat fonamental de la lògica que pot prendre un valor de 0 o d'1. Les computadores quàntiques confien en els bits quàntics, també coneguts com qubits, com els seus blocs fonamentals. Els bits en ordinadors tradicionals codifiquen un valor únic, ja sigui un 0 o un 1. L'estat d'un qubit, al contrari, pot tenir alhora un valor de 0 i 1. Aquesta propietat peculiar, com a conseqüència de les lleis fonamentals de la física quàntica, es tradueix en una dramàtica complexitat pels sistemes quàntics.


 El Quantum computing és un camp incipient i  en desenvolupament ràpid que es compromet a utilitzar aquesta complexitat per resoldre problemes difícils d'abordar amb els ordinadors convencionals. Un repte clau per a la informàtica quàntica,  que requereix que un gran nombre de qubits funcionin, cosa que és difícil d'aconseguir, evitant les interaccions amb l'entorn exterior li farien perder als qubit, les seves propietats quàntiques.

Una nova investigació del laboratori d'Oskar Painter, professor de Física i Física Aplicada  John G Braun de la Divisió d'Enginyeria i Ciències Aplicades, explora l'ús de metamaterials superconductors per superar aquest repte.


Els metamaterials estan especialment dissenyats mitjançant la combinació de materials de múltiples components a una escala més petita que la longitud d'ona de la llum, de manera que els permet treballar com si es fosin partícules de llum o fotons. Els metamaterials es poden utilitzar per reflectir, girar o enfocar els feixos de llum de gairebé qualsevol manera desitjada. Un metamaterial també pot crear una banda de freqüències en què la propagació dels fotons quedi completament cancelada, l'anomenat "banda fotogràfica".

L'equip de Caltech va utilitzar una banda fotogràfica per atrapar fotons en un circuit quàntic superconductor , creant una tecnologia prometedora per a la construcció d'ordinadors quàntics futurs.

"En principi, es tracta d'un substrat escalable i flexible per construir circuits complexos per interconnectar certs tipus de qubits", diu Painter, líder del grup que va dirigir la investigació, que es va publicar a  Nature Communications  el 12 de setembre. "No només es pot jugar amb l'arranjament espacial de la connectivitat entre qubits, però també es pot dissenyar que la connectivitat es produeixi només a certes freqüències desitjades ".

Painter i el seu equip van crear un circuit quàntic format per pel·lícules primes d'un superconductor, un material que transmet corrent elèctric amb poca o cap pèrdua d'energia traçat a un microxip de silici. Aquests patrons superconductors transporten microones d'una part del microxip a un altre. El que fa que el sistema funcioni en un règim quàntic, però, és l'ús de l'anomendada Josephson junction, que consisteix en una capa no conductora atòmicament fina entre dos elèctrodes superconductors. La unió Josephson crea una font de fotons de microones amb dos estats diferents i aïllats, com un sòl d'àtoms i estats electrònics excitats, que estan implicats en l'emissió de llum o, en el llenguatge de la informàtica quàntica, un qubit.  

"Els circuits quàntics superconductors permeten realitzar experiments fonamentals d'electrodinàmica cuántica utilitzant un circuit elèctric de microones que sembla que podria haver estat llançat directament des del telèfon mòbil", diu Painter. "Creiem que augmentar aquests circuits superconductors amb metamaterials permetrà la seva futura computació quàntica tecnologies i aprofundir en l'estudi de més complexos sistemes quàntics que estan més enllà de la nostra capacitat per modelar utilitzant fins i tot els més poderosos clàssics d'ordinador simulacions."


El paper es titula "superconductors metamaterials per a la electrodinàmica quàntica de guia d'ones".


Dispositius elèctronics que podrien aprofitar el cos humà per fer la seva propia energia


En un estudi publicat per la revista Advanced Energy Materials, els científics de l'Institut de Tecnologia Avançada de Surrey (ATI) detallen una innovadora solució  per alimentar la pròxima generació de dispositius electrònics mitjançant l'ús de nanogeneradors triboelèctrics (TENGs). 


Això vol dir que, juntament amb els moviments dels humans, les TENG poden capturar energia a partir de fonts d'energia comuns com serien el vent, les ones i la vibració..




Un TENG és un dispositiu de recollida d'energia que utilitza el contacte entre dos o més materials (híbrids, orgànics o inorgànics) per produir un corrent elèctric.

Els investigadors de l'ATI han proporcionat una guia pas a pas sobre com construir aquestes fonts d'energia més eficients. L'estudi introdueix una "equació de transferència de potència TENG" i "trames d'impedància TENG", eines que poden ajudar a millorar el disseny per a la generació basada en el TENG.


El professor Ravi Silva, director de l'ATI, va dir: "Un món on l'energia és gratuïta i renovable és una causa en que aquí a l'ATI, som extremadament apassionats  (i a la Universitat de Surrey). Les TENG podrien tenir un paper important en fer-ho somnien una realitat. Les TENG són ideals per alimentar dispositius portàtils, dispositius d'internet de les coses (IoT) i aplicacions electròniques autopropulsades. Aquesta investigació posa l'ATI en una posició líder mundial per dissenyar recol·lectors d'energia optimitzats ".

Ishara Dharmasena, Ph.D. estudiant i científic principal del projecte, va dir: "Estic molt emocionat amb aquest nou estudi que redefineix la nostra manera d'entendre la collita de l'energia. Les noves eines desenvolupades aquí ajudaran a investigadors d'arreu del món a explotar el veritable potencial dels nanogeneradors triboelèctrics i per dissenyar unitats d'aprofitament d' energia optimitzades per a aplicacions personalitzades ".

Font: Universitat de Surrey

dissabte, 29 de setembre del 2018

Dispositiu que integra la cèl·lula solar i bateria.

Científics dels Estats Units i de l'Aràbia Saudita, han aprofitat les capacitats tant d'una cèl·lula solar com d'una bateria integrades en un sol dispositiu: una "bateria de flux solar " amb capacitat d'absorbir la llum solar i l'emmagatzema de manera eficient com a energia química per a un ús posterior sota demanda. Aquestes investigacions, publicades el 27 de setembre del 2018 a la revista Chem , podrien fer que l'electricitat sigui més accessible a les regions remotes del món.



Tot i que la llum del sol es postula cada vegada com a font d' energia neta i abundant, té una limitació òbvia: només hi ha llum solar durant el dia, i alguns dies són molt més assolellats que altres. Per mantenir l'energia solar pràctica, això significa que després de convertir la llum del sol en energia elèctrica, s'ha d'emmagatzemar. Normalment, això involucra a dos dispositius: una cèl·lula solar i una bateria, però la bateria de flux solar està dissenyada per funcionar de forma conjuta en un sol dispositiu.


En comparació amb la conversió separada d'energia solar  i els dispositius d'emmagatzematge d'energia electroquímica, que combinen les funcions dels dispositius separats en un únic dispositu integrat,  podria donar un enfocament més eficient, escalable, compacte i rendible a la utilització de l'energia solar.




La bateria de flux solar té tres modes diferents. Si es necessita energia d'immediat, pot funcionar com una cèl·lula solar i convertir la llum del sol en electricitat de forma instanatànea. En cas contrari, el dispositiu pot absorbir l'energia solar durant el dia i emmagatzemar-la com a energia química per a subministrar-la més tard com a electricitat a les hores d'absència de llum solar o  cel  ennuvolat. Aquest dispositiu, també es pot carregar mitjançant energia elèctrica si és necessari, igual que una bateria típica. El model de bateria de flux solar més recent, és capaç d'emmagatzemar i subministrar electricitat a partir de l'energia solar de forma més eficient que qualsevol altre dispositiu existent integrat actualment.


Es considera que la bateria de flux solar podria ajudar a superar les limitacions de la xarxa elèctrica fent que l'electricitat estigui més disponible per a les persones que viuen a les zones rurals i que proporcionen una font alternativa d'energia quan fallen els sistemes elèctrics tradicionals.

Aquestes bateries de flux solar integrades seran especialment adequades com a sistemes de conversió i emmagatzematge d'energia solar distribuïts i autònoms en ubicacions remotes i permetran una pràctica electrificació fora de la xarxa.



La fabricació actual de bateries de flux solars, encara és massa costosa per als mercats reals del món, però es creu que els dissenys més senzills, els materials amb cel·lulosa més barata i els avenços tecnològics poden ajudar a reduir els costos en el futur. I si bé el model actual és comparativament bastant eficient, l'equip té plans per millorar encara més el seu disseny. 

Es creu que eventualment es podria obtenir un 25% d'eficiència utilitzant materials solars emergents i noves electroquímica. En aquest rang d'eficiència, sense utilitzar les costoses cèl·lules solars, ha de ser bastant competitiu amb altres tecnologies d'energia renovable de manera que es creu que la comercialització podria ser possible.

Font: Cell Press

LÀSER electro-òptic


Els físics de l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) han utilitzat l'electrònica comuna per construir un làser que manipula 100 vegades més sovint que els làsers ultra-ràpids convencionals. L'avanç podria ampliar els beneficis per la ciència ultra-ràpida a noves aplicacions, com la imatge de materials biològics en temps real.



La tecnologia per a la fabricació de làsers electro-òptics ha existit durant cinc dècades, i la idea sembla senzilla. Però fins ara els investigadors no han pogut canviar electrònicament la llum per crear polsos ultra-ràpids i així, eliminar el soroll electrònic o la interferència.

Com es va descriure en el número 28 de la revista Science , els científics del NIST van desenvolupar un mètode de filtratge per reduir la interferència induïda per calor que, d'altra manera, debilitaria la consistència de la llum sintetitzada electrònicament.
Ultra-ràpid, es refereix a esdeveniments que duren picosegons (bilions de segon) a femtosegons (quadril·limes de segon).
La font convencional de llum ultra-ràpida és una guia de freqüència òptica, una "regla" precisa per a la llum. Els pentagramas se solen fer amb làsers "modulars" sofisticats, que formen polsos de molts colors diferents d'ones de llum que se superposen, creant vincles entre les freqüències òptiques i les de microones. La inter-operació dels senyals òptics i de les microones, potencia els últims avenços en les comunicacions, el temps de cronometratge i els sistemes de detecció quàntica.

Per contra, el nou làser electro-òptic de NIST imposa vibracions electròniques a nivell de microones en un làser d'ona contínua que funciona a freqüències òptiques, tallant efectivament els polsos a la llum.

En qualsevol làser ultra-ràpid, cada pols dura, per exemple, 20 femtosegons. En els làsers bloquejats en mode, els polsos surten cada 10 nanosegons. En aquest làser electro-òptic, els polsos surten cada 100 picosegons, de manera que aquesta és la velocitat que permet ser unes 100 vegades més ràpid.


L’anterior gràfic, mostra com freqüències específiques, o colors, de la llum (pics pronunciats) sorgeixen del soroll de fons electrònic (blau) en el làser electro-òptic ultra-ràpid de NIST. El fons vertical mostra com es combinen aquests colors per crear una guia de freqüència òptica. Font: D. Carlson/NIST

La imatge química i biològica és un bon exemple de les aplicacions per a aquest tipus de làser. La presa de mostres biològiques amb polsos ultra-ràpids proporciona informació tant per imatge com per caracterització química. Usant aquesta  tecnologia, aquest tipus d'imatges pot passar de manera espectacular, des de la imatge híper-espectral  (que actualment triga) un minut a temps real.

Per fer el làser electro-òptic, els investigadors del NIST van començar amb un làser d'ona contínua infraroja i van crear polsos amb un oscil·lador estabilitzat per la cavitat, que proporciona l'equivalent a una memòria per garantir que tots els polsos siguin idèntics. El làser produeix polsos òptics a una velocitat de microones, i cada pols es dirigeix a través d'una estructura d'ona de guia de microxips per generar molts colors més en la guia de freqüència.

El làser electro-òptic ofereix una velocitat sense precedents combinada amb la precisió i l'estabilitat que són comparables a les d'un làser de bloqueig modular. El làser es va construir amb components comercials de telecomunicacions i microones, el que fa que el sistema sigui molt fiable. La combinació de fiabilitat i precisió fan atractives les barres electro-òptiques per a mesuraments a llarg termini de les xarxes de rellotges òptics, sistemes de comunicacions o sensors en què les dades s'han d'adquirir més ràpidament del que ara és possible.



Quan la màgia es va convertir en nombres


Durant els seus primers 300.000 anys d'existència, l'ésser humà explicava els fenòmens que l'envoltaven (la pluja, la mort, la collita) mitjançant la màgia i la influència dels déus. Així va ser fins que en l'Antiga Grècia, al voltant del segle VI aC, va començar una revolució, a la recerca dels principis bàsics per comprendre la natura.

El pensament racional va començar a obrir-se pas davant del mitològic; va ser el despertar de la ciència. L'escola pitagòrica va ser un dels pilars d'aquell esclat cultural i també el primer corrent filosòfic en què van participar i van destacar dones.

Pitàgores de Samos (569 aC - 475 aC, aprox.) i els seus seguidors pretenien desxifrar els fonaments de la realitat a través dels números i, en aquest camí van crear l'abstracció matemàtica. La matemàtica prèvia, desenvolupada de manera empírica per egipcis i mesopotàmics, era una col·lecció de regles per qüestions pràctiques com dividir un terreny. És possible que Pitàgores aprengués d'ells en els seus viatges, però va portar la geometria i l'aritmètica més enllà: va ser el primer a observar que hi ha un conjunt d'axiomes a partir dels quals es poden deduir la resta de raonaments mitjançant la demostració, que els pitagòrics van establir com a eina bàsica per construir l'edifici de la matemàtica.


Quan la màgia es va convertir en nombres
Pitàgores impartint una classe a dones. Font: Wikimedia

La matemàtica va deixar de ser un mitjà per esdevenir un fi en si mateix. Per als pitagòrics, la recerca del coneixement era la forma de realitzar-se plenament. Al voltant d'aquesta idea van crear la comunitat pitagòrica, que estava dirigida també per principis ètics i morals, traduïts en una sèrie de normes dictades pel seu líder. "Eren una comunitat tancada, guiada per una estricta disciplina que marcava des de la seva dieta, a la seva vestimenta i el moment adequat per mantenir relacions sexuals", assegura la historiadora clàssica Sara B. Pomeroy en el seu llibre Pythagorean Women: Their History and Writting.

La primera dona matemàtica de la història

A més de la misteriosa figura de Pitàgores, fundador del grup, moltes altres persones van consolidar aquest corrent de pensament. Entre elles hi havia dones com Téano, considerada per alguns autors com la primera matemàtica de la història. "Pitàgores va ser el primer filòsof grec que va admetre a dones entre els seus deixebles", assenyala Pomeroy. El filòsof neoplatònic Jàmblic (segle III dC) enumera 17 dones entre els 235 noms de pitagòrics coneguts. "No van ser silenciades com les seves contemporànies", afirma Pomeroy. "Les seves declaracions, prudents i enginyoses, van ser citades per autors posteriors", afegeix. De totes elles, Téano va ser la dona pitagòrica més esmentada i influent.

Malgrat la seva indiscutible notorietat, hi ha una gran confusió respecte a la seva biografia. Habitualment se la considera com la dona de Pitàgores i filla de Brontino (un altre membre de l'escola pitagòrica); però altres fonts la identifiquen com a deixebla de Pitàgores i dona de Brontino. Alguns autors afirmen que Téano va ser una de les supervivents del sagnant atac a la secta en què va morir Pitàgores -segons diverses versions i llegendes-, després del que es va dedicar a difondre la doctrina del mestre.
Més enllà d'aquesta tasca, és possible que Téano escrivís alguns textos propis que no van ser publicats. A més d'alguns comentaris morals, va investigar sobre cosmologia, medicina i matemàtiques. En concret es va interessar per la teoria de la proporció àuria i pels poliedres regulars, també coneguts com sòlids platònics. Un d'ells, el dodecaedre, tenia un lloc destacat en el misticisme aritmètic dels pitagòrics. Només hi ha cinc poliedres regulars: el tetraedre (format per 4 triangles equilàters), el cub (constituït per 6 quadrats), l'octàedre (8 triangles equilàters), el dodecaedre (12 pentàgons regulars) i l'icosàedre (20 triangles equilàters). (Font: Максим Пе).

Devoció cap els números
Per als pitagòrics el nombre era el material essencial de totes les coses. A partir dels seus propis experiments amb el monocordi van comprovar que els números descrivien la teoria dels sons musicals i també explicaven el moviment dels planetes, com ja sabien els matemàtics de Babilònia.

Guiats per aquesta devoció cap als números, els van estudiar i van classificar de moltes maneres diferents: d'entrada, van diferenciar entre parells i senars; després els van classificar en nombres primers (els que només es poden dividir entre un i ells mateixos) i compostos (els que tenen més divisors); i, sorprenentment, van arribar a trobar nombres perfectes i, fins i tot parelles de nombres amics. Els perfectes són nombres iguals a la suma dels seus divisors (Ex: 6 = 1 + 2 + 3), i un nombre és amic d'un altre si en sumar els divisors d'un obtenim l'altre, i viceversa. Per exemple, el 220 i el 284:
- els divisors de 220 són 1, 2, 4, 5, 10, 11, 20, 22, 44, 55 i 110, que sumen 284 
- els divisors de 284 són 1, 2, 4, 71 i 142, que sumen 220.


Quan la màgia es va convertir en nombres
    Els Pitagòrics van comprovar que els números descrivien
     la teoria dels sons musicals. Font: Melchoir

A més, els pitagòrics atribuïen característiques místiques als números. L'un representava l'origen, els parells eren femenins i els imparells masculins. Creien que tota la naturalesa i els objectes estaven caracteritzats per números, que eren el seu principi material i la causa de les seves modificacions i estats permanents.

Precisament aquesta visió, que retornava del nombre a la màgia, va ser el principi de la fi dels pitagòrics. Van descobrir que la realitat no podia mesurar-se amb nombres enters (ni quocients d'ells), sinó que calien valors més complicats: els nombres irracionals, amb infinites xifres decimals que no es repeteixen

periòdicament (com el nombre π). Va ser un dels descobriments més sorprenents que van fer els pitagòrics, possiblement en aplicar el teorema de Pitàgores a una cosa tan senzilla com calcular la diagonal d'un quadrat de costat 1. Aquests números incommensurables destruïen la seva visió i mostraven que la matemàtica, i el món, eren molt més complexos del que ells esperaven.

Font: OpenMind

divendres, 28 de setembre del 2018

Diminuts vòrtexs impulsats per camps magnètics, podrien moure partícules microscòpiques


Els vòrtexs podrien utilitzar-se algun dia, pel dissenys de lab-on-a-chip per moure partícules d'un lloc a un altre.

Abans que es puguin aprofitar els diminuts vòrtexs, els científics han d'entendre com els seus components o partícules col·loïdals es formen i funcionen. Quan s’exposen grups de rodets magnètics de metalls microscòpics a diversos camps magnètics, ha estat possible crear vortex propis.

El transport d'objectes és un objectiu de gran abast, però s’està treballant en els primers passos, quesón, comprendre els principis bàsics, per tant, el que s’està fent, és una recerca d'un nou tipus de material actiu és a dir, materials existents fora de l'equilibri.

En les seves primeres proves, els investigadors van posar uns 100 rodets magnètics de níquel magnètics, o esferes, en una matriu d'aigua exposada en un camp magnètic d'un únic eix, seguit d'un camp magnètic alternatiu.



Cada partícula era com una petita brúixola que permet utilitzar un camp magnètic per transferir energia. Dins del camp magnètic, que és únic, els corrons s'alineen com si fossin part d'una agulla de la brúixola, però quan s'exposen a un camp magnètic, canviava l'orientació 60 vegades per segon, provocant que els corrons es reuneixin i formin vòrtexs.

En els experiments, els vòrtex van permetre tenir  moviment lliure en una matriu d'aigua, on els investigadors van poder estudiar el seu comportament natural. Quan s'exposava al camp magnètic, les partícules també s'encallaven i començaven a rodar sobre si mateix.

Aquest és l'únic sistema conegut on s’ha vist aquest tipus d'organització i autoorganització amb aquest comportament, de manera que el grup es mou com un ramat d'aus.

A mesura que les partícules s'agrupen, el sistema forma espontàniament un vòrtex, però el vòrtex també té algunes propietats estranyes, com  unes inexplicables commutacions.

En aquest estudi, el vòrtex, de mitjana va canviar la direcció rotacional una vegada cada 160 minuts.

Seria interesant saber per què canvia i també que és el que controla aquesta taxa de commutació. Llavors, si es pot controlar, es pot començar a parlar de la utilitat.


Els investigadors sospiten que les partícules magnètiques es poden ‘parlar’ entre si d'una manera similar com ho fan els ocells per evitar xocar en el vol. S’espera, que els científics eventualment puguin utilitzar el coneixement per transportar estructures en el món microscòpic.

Manca molt, per estudiar abans que els científics entenguin o puguin controlar els vòrtex, però es pensa que, eventualment, es podrien utilitzar com pinces, movent partícules no metàl·liques dins i fora d'una matriu líquida.

Aquest vòrtex interactua amb les partícules a través del líquid, de manera que, pot capturar una partícula a l'interior i moure-la.

Però no és una solució única per a totes les partícules ja que aquestes que poden transportar,  han de ser  d’una mida correcta. Si són massa petites, s'incorporen al cos del vòrtex i disminueixen la velocitat,  si són massa grans, destrueixen el vòrtex. 


Verificació matemàtica per comprovar que un programari s'executa correctamenet

La majoria de la gent no pensa que el xifratge, constitueix una base segura de les activitats on-line, incloent-hi, la banca, les compres i les comunicacions. Però tothom confia en els programes informàtics que generen un nombre aleatori que serveix de clau per desbloquejar la comunicació xifrada. El problema és que els petits errors de programació poden fer que aquests sistemes siguin vulnerables, i aquestes vulnerabilitats sovint poden ser molt difícils de detectar.


Cada vegada que es fa una connexió a Amazon per proporcionar el  número de la targeta de crèdit, i sempre que s'inicia una sessió en algun lloc a través d'una connexió segura, aquestes, depenen de les claus criptogràfiques generades de forma aleatòria. Per tant, donat un potencial atacant que intenti llegir els  missatges o suplantar-los, podria endevinar aquest nombre aleatori que s'utilitzava en l'ordinador, llavors podria saber quina clau usar i podrà suplantar el  trànsit i llegir els missatges.


Aquesta investigació d'Appel s'ha centrat durant molt de temps en la intersecció entre la informàtica i les polítiques públiques. S'ha escrit àmpliament sobre la tecnologia de les màquines electorals i s'ha testificat davant el Congrés sobre mètodes per assegurar el sistema electoral nord-americà. En treballs recents, la  recerca s'ha centrat en la verificació formal, un conjunt d'eines que permetin especificar quins programes han de fer-se, per crear programes que s'ajustin a aquestes especificacions, i així, poder verificar que els programes es comporten exactament com s'ha especificat.


En un exemple de comprovació matemàtica de la correcció d'una funció crítica, el grup d'Appel va desenvolupar un mètode per verificar la potencia dels generadors de nombres aleatoris que constitueixen la base de la majoria dels sistemes de xifratge. En un article que va créixer a partir de la tesi doctoral de Katherine Ye'16, l'equip (que també incloïa investigadors de la Universitat de Johns Hopkins i Oracle) van examinar un generador de nombres aleatoris d'ús comú i van realitzar una comprovació verificada de manera que el sistema  de fet fos segur. Els mètodes convencionals com ara són les proves exhaustives, no permeten saber si un generador de nombres aleatoris és segur.


Comentant sobre el treball, Eugene Spafford, líder en seguretat  de la informació de la Universitat de Purdue, va dir que la recerca és un avanç significatiu. Igu
al que moltes altres investigacions, pot ser que no s'apliqui directament  en aquest moment, sinó que està generant un conjunt de resultats que podrien [conduir] a resultats molt importants en el futur.

Font:  Universitat de Princeton