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Un vidrio ultraestable muestra una excepción a las propiedades universales de este material

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han observado un comportamiento inesperado del calor específico a bajas temperaturas en los vidrios ultraestables de indometacina, un tipo de molécula orgánica. En concreto, se han descartado esperados estados de ‘tuneleo cuántico’.

Esquema de los pozos de energía asociados a un sistema de dos niveles (TLS), junto con la molécula de indometacina y la gráfica de capacidad calorífica que muestra la supresión de los TLS en las muestras ultraestables de indometacina.

Esquema de los pozos de energía asociados a un sistema de dos niveles (TLS), junto con la molécula de indometacina y la gráfica de capacidad calorífica que muestra la supresión de los TLS en las muestras ultraestables de indometacina.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Una característica fundamental de los sólidos amorfos o vidrios es que, independientemente de su naturaleza y composición, presentan una serie de propiedades universales en el rango de bajas temperaturas; propiedades que también se conocen como ‘anomalías vítreas’.

Durante cuatro décadas los físicos han explicado la ubicuidad de estas propiedades a partir de un modelo denominado Modelo de Tunneling, el cual contempla una amplia distribución de procesos de tuneleo cuántico entre dos estados configuracionales de similar energía pero sin interacción directa. El modelo, sin embargo, tiene importantes detractores, como el Premio Nobel de Física Anthony Leggett, quien sostiene que es muy improbable que sistemas no interactuantes de este tipo puedan dar lugar a propiedades tan universales como las anomalías vítreas.

En un trabajo reciente, publicado en PNAS, físicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han descubierto que los esperados estados de tuneleo cuántico no se encuentran en un nuevo tipo de vidrios ultraestables de una molécula orgánica denominada indometacina, al medir su calor específico hasta temperaturas por debajo de 1 K.
El curioso caso de los vidrios ultraestables de indometacina

En Estrella de plata, uno de los famosos relatos de Arthur Conan Doyle, el detective Sherlock Holmes llama la atención sobre “el curioso incidente del perro a medianoche”. Cuando el inspector de Scotland Yard replica que el perro no hizo nada la noche anterior, Holmes responde: “Ese es precisamente el incidente curioso”.

Algo semejante ocurre en el caso de los vidrios ultraestables de indometacina: lo anómalo es precisamente la ausencia de la anomalía.

“Fue una verdadera sorpresa ver que la universal contribución lineal con la temperatura al calor específico no aparecía en el vidrio ultraestable. A instancias de mi director de tesis, que no acababa de creérselo, repetí varias veces los experimentos hasta que quedamos convencidos de su reproducibilidad”, señala Tomás Pérez Castañeda, quien realizó las medidas de calor específico en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.

Por su parte, Miguel Ángel Ramos, profesor del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM, y principal responsable del trabajo, explica que:

“Los experimentos complementarios de difracción de rayos X y calorimetría, y la comparación con otro trabajo nuestro (UAM) anterior en vidrios de ámbar estabilizados durante 110 millones de años, nos han llevado a concluir que la clave del inesperado comportamiento observado está en la anisotropía y el particular crecimiento por capas del vidrio ultraestable de indometacina, no en la gran estabilización termodinámica por sí misma. Esto, a su vez, pensamos que respalda las ideas de Leggett y otros sobre las imprescindibles interacciones entre los sistemas de dos niveles, aunque serán necesarios más experimentos en materiales relacionados para confirmar nuestras hipótesis”.
Vidrios ultraestables

Los vidrios ultraestables representan uno de los desarrollos recientes más novedosos e intrigantes en la ciencia de los materiales vítreos. Se trata de una nueva familia de vidrios que poseen una estabilidad termodinámica y cinética muy superior a los vidrios convencionales, habitualmente preparados a partir del líquido sobrenfriado.

“Este nuevo tipo de vidrios se prepara en forma de capa fina a partir de la fase vapor, y pueden conseguirse en pocas horas materiales con una estabilidad tan elevada que se requerirían millones de años en producirlos por la técnicas convencionales. De ahí el nombre de ultraestables”, explica Javier Rodríguez-Viejo, quien dirige en la UAB uno de los grupos de investigación punteros en este tipo de materiales, y que Junto a Cristian Rodríguez-Tinoco preparó y caracterizó los vidrios de indometacina.

Los vídrios ultraestables fueron descubiertos en 2007 por un grupo de la Universidad de Madison (EEUU). En la actualidad son objeto de una intensa actividad científica. Poseen propiedades diferenciadas de otros vidrios, por ejemplo temperaturas de transición vítrea más elevadas, menor absorción de agua, menor envejecimiento frente a tratamientos térmicos, mayor densidad, propiedades mecánicas mejoradas y una larga lista que los hacen potencialmente interesantes para nuevas aplicaciones. Además, se piensa que pueden ser una pieza clave para desentrañar algunos de los enigmas actuales del estado vítreo, como la posible existencia de una transición de fase de primer orden que queda enmascarada por el cese repentino del movimiento traslacional de las moléculas al disminuir la temperatura.

http://www.uam.es

Referencia bibliográfica:
Suppression of tunneling two-level systems in ultrastable glasses of indomethacin.
Tomás Pérez-Castañeda, Cristian Rodríguez-Tinoco , Javier Rodríguez-Viejo and Miguel A. Ramos PNAS 111, 11275 (2014).

The Enigma of the Dark Matter

Artículo publicado en Contemporary Physics 43 (2002) 51-62
¿De qué está hecho el Universo? (De las partículas elementales a la materia oscura)
Artículo publicado en el libro XIII Ciclo de Conferencias de Humanidades, Ingeniería y Arquitectura (2010), Ed. Universidad Politécnica de Madrid.

Leer artículo  

Ponente: Carlos Muñoz Lopez
Ciclo: XIII Ciclo de Conferencias de Humanidades, Ingeniería y Arquitectura. Universidad Politécnica de Madrid
Descripción: Carlos Muñoz explica las ideas que se tienen sobre la composición del universo.

Solo entendemos la composición del universo si conocemos las partículas que lo constituyen y sus interacciones, para ello hay que hacer una lista de las partículas y de sus interacciones previamente para así saber cuáles son. Las observaciones astrofísicas implican que en el universo hay más materia de la que vemos.

No se sabe muy bien determinar de qué está hecha la materia oscura, para determinarlo se suelen plantean una serie de hipótesis y mediante la detección se confirman dichas hipótesis.

http://www.multidark.es/

 

“La teoría de cuerdas es la mejor candidata para ofrecer una teoría unificada”

 

Luis Ibañez, investigador del Instituto de Física Teórica y catedrático de la UAM

Luis Ibañez de la Universidad Autonoma de Madrid

El catedrático Luis Ibáñez de la Universidad Autónoma de Madrid, miembro del Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC), recibió hace unos meses una Advanced Grants del Consejo Europeo de Investigación. Con esta prestigiosa beca y el apoyo de su equipo estudiará durante cinco años qué información sobre la teoría de cuerdas pueden facilitar los datos del LHC del CERN. Esta teoría puede ayudar a unificar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad.

¿Por qué cree que es necesaria una teoría única?

En realidad los físicos no insistimos en buscar teorías unificadas. Es la naturaleza la que parece insistir en que esa dirección es la correcta. Hasta mediados del siglo XIX se pensaba que la electricidad, el magnetismo y la luz eran fenómenos totalmente diferentes, pero en el siglo XIX se vio que eran tres aspectos de una sola teoría, el electromagnetismo clásico. La historia se ha vuelto a repetir a finales del siglo XX con la comprobación de que el electromagnetismo y las llamadas interacciones débiles –las causantes de la radioactividad natural– son dos aspectos de una sola teoría, la teoría electro-débil. Hoy en día hay indicaciones que apuntan a que todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluida la gravitación, son parte de una sola teoría unificada. La teoría de cuerdas es la candidata más seria.

¿Y por qué es la mejor candidata? 

La mayoría de la comunidad científica lo considera así porque la teoría de cuerdas no solo hace consistente los dos paradigmas de la mecánica cuántica y la relatividad general, sino que en el mismo paquete te ofrece una teoría que contiene el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Es una teoría cuántica y relativista, los dos pilares siguen intocables. La principal novedad es que todas las partículas fundamentales corresponden a diferentes modos de vibración de cuerdas extremadamente diminutas.

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Coloquios Paco Ynduráin: Álvaro de Rújula “The damnedest boson”

El pasado dia 6 de Febrero en la Sala de conferencias, módulo 00 (C-0) de la Facultad de Ciencias de la UAM el fisico teorico Alvaro de Rujula dio una conferencia sobre el maldito bosón (“The damnedest boson”).
Como no podia ser de otra manera, nuestra colaboradora Veronica P.V. estudiante de Fisica en la UAM estuvo en dicha conferencia.

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Como viene siendo habitual ningun departamento gravo la conferencia por lo que pònemos algunos videos de Alvaro de Rujula entre ellos uno de sus primeras interveciones en el año 2000 en el CERN durante la construcción del LHC.
 

History CERN-Antimatter- Mirror of the Universe

OrganizaciónDpto. de Física Teórica

Fecha de celebraciónDesde el 06-02-2013 hasta el 06-02-2013

Hora de celebración15’00Lugar de celebración

Sala de conferencias, módulo 00 (C-0), de la Facultad de Ciencias

Descripción

Coloquios Paco Ynduráin: “The damnedest boson”.

Álvaro de Rújula
CERN & IFT UAM-CSIC.

Más información

Álvaro de Rújula – “Del micro- al macro-cosmos, viaje de ida y vuelta”

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Miden por primera vez la parte menos caliente de una estrella distinta al Sol

El estudio se publica en la revista ‘Astronomy and Astrophysics’

Un equipo internacional, con participación de la Universidad Autónoma de Madrid, ha descrito la ‘región de mínima temperatura’ de Alfa Centauri A, una estrella a poco más de 4 años luz de la Tierra. La medida es fundamental para el conocimiento de las atmósferas estelares y representa la primera que se hace a una estrella distinta al Sol.

Observaciones del sistema estelar Alfa Centauri, realizadas con el telescopio espacial Herschel y el telescopio APEX, permitieron a un consorcio internacional de científicos caracterizar por primera vez la ‘región del mínimo de temperatura’ en una estrella distinta al Sol.

La región del mínimo de temperatura en una estrella posee un interés fundamental para el conocimiento de la física básica de las atmosferas estelares, según explica Carlos Eiroa, profesor del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y uno de los científicos firmantes del estudio.

Las atmósferas estelares están caracterizadas por una temperatura media, si bien de manera estricta presentan un gradiente de temperaturas. Inicialmente, la temperatura disminuye a través de la región atmosférica llamada ‘fotosfera’, hasta alcanzar un valor mínimo. Posteriormente la temperatura empieza de nuevo a aumentar. Esta inversión de la temperatura sólo puede ser observada directamente en el infrarrojo lejano”, añade el investigador.

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Expertos de la Universidad Autónoma de Madrid y del Instituto Weierstrass de Berlín depuran modelos matemáticos que describen sistemas complejos

Expertos de la Universidad Autónoma de Madrid y del Instituto Weierstrass de Berlín lograron obtener eficaces y fiables aproximaciones a un tipo de modelos matemáticos que resultan útiles para describir gran cantidad de fenómenos físicos y biológicos. El estudio fue publicado en el ‘Journal of Computational Physics’.

En matemáticas los denominados modelos de convección-reacción-difusión describen sistemas complejos en los que el fenómeno físico dominante es el transporte o concentración de entidades. Es lo que sucede, por ejemplo, en el crecimiento de bacterias o en el desarrollo de tumores. Dichos modelos matemáticos pueden estar “contaminados” por lo que en jerga matemática se conoce como “oscilaciones espurias”, las cuales pueden producir resultados erróneos e inexactos. Por ejemplo, en el caso de la descripción de una reacción química, el modelo podría indicar la existencia de concentraciones negativas de ciertos compuestos.

En un estudio publicado en el Journal of Computational Physics, la profesora titular Julia Novo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), y el profesor Volker John, director del grupo de Análisis Numérico y Computación Científica del Instituto Weierstrass de Berlín, compararon distintos métodos numéricos para obtener aproximaciones a modelos de convección-reacción-difusión sin oscilaciones espurias. Esto se traduce en la posibilidad de contar con herramientas matemáticas eficaces y fiables para el análisis numérico de sistemas complejos, como lo son diversas reacciones químicas y una gran cantidad de fenómenos físicos y biológicos.

Según explica la profesora Novo: “las soluciones físicas de los modelos de convección-reacción-difusión son difíciles de simular. Esto es debido a la presencia de zonas donde la solución cambia de valor muy rápidamente en una zona muy pequeña del recinto donde se estudia el modelo. Para estos casos se hace necesaria la utilización de métodos numéricos, a los que se denomina estabilizados, que reemplacen a los métodos clásicos. Pero incluso con la técnica de estabilización, es muy frecuente la presencia de oscilaciones en las aproximaciones producidas por los métodos cerca de las zonas de variación rápida”.

Entre los métodos numéricos estudiados por Novo y John para obtener aproximaciones a modelos de convección-reacción-difusión, se encuentran métodos de elementos finitos y métodos de diferencias finitas. Los profesores comprobaron que los primeros producen aproximaciones totalmente libres de oscilaciones, aunque requieren un tiempo de computación que puede ser bastante elevado. Los segundos, por su parte, producen aproximaciones con oscilaciones apenas perceptibles y son más eficientes en cuanto que requieren un tiempo de computación considerablemente menor.

Para los matemáticos, las aplicaciones de estos métodos a modelos que describen distintos fenómenos físicos y biológicos parecen ser muy amplias. Actualmente, por ejemplo, estudian su aplicabilidad a una serie de ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos y que se utilizan, entre otros, en el estudio de la atmósfera terrestre y de las corrientes oceánicas.

http://www.uam.es

 

 

Referencia bibliográfica: John, Volker & Novo, Julia. On (essentially) non-oscillatory discretizations of evolutionary convection-diffusion equations. En: JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS. Volume 231 Issue 4, February, 2012. Pages 1570-1586

Las propiedades electrónicas del grafeno se presentan como un mosaico irregular

El grafeno, que consiste básicamente en una lámina de grafito de un único átomo de espesor, es considerado como el material clave para los dispositivos tecnológicos del futuro. Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en un estudio recientemente publicado en la revista Carbon, han descubierto que sus propiedades electrónicas se presentan como un mosaico irregular. Este conocimiento abre la puerta al diseño de dispositivos en los que se puedan controlar las propiedades electrónicas del grafeno a través de una interacción grafeno-substrato definida por el usuario.

“Inhomogeneidad” de las propiedades electrónicas de grafeno sobre un substrato de óxido de silicio

“Inhomogeneidad” de las propiedades electrónicas de grafeno sobre un substrato de óxido de silicio

El grafeno es un material atómicamente fino con interesantes propiedades y un prometedor futuro en la industria electrónica. No obstante, las características y rendimiento de los sistemas electrónicos basados en grafeno varían de dispositivo a dispositivo. Esta variabilidad se debe a la interacción con la superficie (substrato) sobre la que yace el grafeno, que generalmente es óxido de silicio.

Se sabe que la interacción grafeno-substrato tiene su origen en las cargas eléctricas atrapadas en el substrato, la cuales generan un campo eléctrico suficientemente intenso como para modificar localmente a escala atómica las propiedades electrónicas del grafeno. Un estudio reciente del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Autónoma de Madrid, publicado en la revista Carbon, ha encontrado que el efecto de una carga eléctrica individual alcanza una distancia de unos 5 nanómetros, y que la distribución de las cargas atrapadas en el substrato es irregular aunque la distancia promedio entre las mismas es de unos 20 nanómetros. De esta forma, aproximadamente un tercio de la superficie del grafeno tiene sus propiedades electrónicas fuertemente distorsionadas, formando algo parecido a un mosaico irregular de “inhomogeneidades” electrónicas.

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