Els sensors de les càmeres digitals són una evolució dels dispositius d’acoblament de càrrega (foto inferior) inventats per Kao, Boyle i Smith
© Canon / NASA
Fer una foto amb una càmera digital o enviar-la per correu electrònic són unes accions molt quotidianes avui, que es troben al capdavall d'un llarg procés tecnològic que arrenca de les recerques dels guardonats amb el premi Nobel de física del 2009: Charles K. Kao (d'origen xinès, però que féu la recerca premiada quan treballava al Regne Unit), i Willard S. Boyle i George G. Smith (dels laboratoris Bell). Els nord-americans van ser els inventors, l'any 1969, d'un dispositiu semiconductor per a la captura d'imatges, anomenat dispositiu d'acoblament de càrrega (charge-coupled device, o CCD), que és l'avantpassat immediat dels sensors que trobem avui en dia en càmeres digitals de fotografia, des de les de butxaca fins a les que ens mostren l'univers més primitiu a través dels ulls de satèl·lits com ara el Hubble. Per la seva banda, Kao va mostrar, el 1966, com una fibra de vidre lliure d'impureses podria transmetre llum a grans distàncies sense pèrdues destacables. Només quatre anys més tard, la primera fibra òptica basada en òxid de silici amb una atenuació d'1 dB/km era fabricada als laboratoris Bell i obria el camí cap a la transmissió de dades a gran distància i gran velocitat, la qual és al darrere del devessall d'informació que rebem avui en dia a través d'internet. Uns premis, doncs, que mostren de nou que la recerca bàsica pot tenir conseqüències imprevisibles per a la societat en un espai de temps prou curt.
A final d'any, el laboratori LHC del CERN va començar a produir i transmetre una gran quantitat de dades, després de més d'un any d'intentar reparar l'avaria soferta poc després de la seva inauguració al setembre del 2008. S'han esmerçat molts esforços per evitar que el problema es pugui repetir; per aquest motiu, per no córrer cap risc, els primers mesos de funcionament està previst que treballi a només 7 TeV, la meitat de la potència inicialment esperada, però que, en tot cas, és més de tres vegades superior a la de l'accelerador més potent en ús actualment, el Tevatron de Fermilab. Precisament, dades recents d'aquest darrer laboratori nord-americà apunten que un dels objectius principals del LHC, el bosó de Higgs, segurament tingui una massa relativament lleugera, inferior a 160 GeV, la qual cosa significa que caldrà destriar-ne el senyal en una zona rica en altres reaccions i, en conseqüència, sorollosa, fet que alentirà l'anàlisi de les dades abans de poder confirmar-ne l'existència.
Una existència que finalment va ser reconeguda durant el 2009 és la de l'element número 112 en la taula periòdica. Observat per primera vegada el 1996 al GSI d'Alemanya, la seva producció és tan difícil que ha costat més de deu anys que la IUPAC a la fi l'admetés. El grup que el va descobrir, liderat per Sigurd Hofmann, ha proposat anomenar-lo copernicium, si bé el bateig oficial no s'esdevindrà fins a la reunió de la IUPAC al gener del 2010.
En física nuclear, cal mencionar enguany l'observació d'un nucli "doblement màgic" que posa en qüestió algunes de les idees establertes sobre el model de capes del nucli atòmic. En concret, dos experiments relatius al nucli 24O, format per 8 protons i 16 neutrons, han determinat que el seu estat fonamental té simetria esfèrica i és difícil d'excitar, fets que apunten a un tancament de capes. El fet sorprenent és que el nombre 16 no es correspon amb cap dels nombres màgics (2, 8, 20, 28...) que dona la teoria de capes. Per fer-ho més complicat, se sap que el nucli amb tan sols un neutró més (25O) no és estable, mentre que els nuclis amb un protó més (fluor) poden contenir fins a 7 neutrons més. Ens trobem, per tant, amb un nucli estable ben lluny de l'anomenada "vall d'estabilitat" nuclear, si bé no entenem la raó de la seva estabilitat. Cal esperar que, els propers anys, altres estudis il·luminaran aspectes encara foscos de les forces nuclears, en particular, el seu caràcter tensorial, les quals determinen quan un nucli és estable o no.
Aquest 2009 també es van produir alguns avenços destacats en la física de la matèria condensada. Cal mencionar en particular l'estudi dels materials anomenats 'aïllants topològics', que són materials aïllants en el seu volum, però que poden esdevenir conductors gràcies a una família peculiar d'estats quàntics localitzats en la seva superfície. Es tracta de materials en què la interacció spin-òrbita dóna lloc a un trencament de la simetria sota inversió temporal en estats de superfície, i això els confereix una "protecció topològica" contra mecanismes dissipatius i els converteix en materials atractius per a la construcció de diversos dispositius, com també per a l'observació de certs estats de la matèria fortament correlacionats similars a l'efecte Hall quàntic de spin. En aquest context, va destacar l'estudi realitzat pel grup de Zahid Hasan, de la Universitat de Princeton, del material Bi2Se3, en el qual es va observar la presència d'un gran gap contra excitacions en el volum (de prop de 0,3 eV) en coexistència amb estats conductors a la superfície. Després de comparar aquest estudi amb els càlculs teòrics d'estructura electrònica realitzats pel grup de Shou-Cheng Zhang, de la Universitat de Stanford, es va poder concloure que aquests estats de superfície estan protegits topològicament. Això, juntament amb el gran gap, indica que el comportament d'aïllant topològic d'aquests materials potser es pot observar a temperatura ambient, cosa que els faria molt interessants de cara a aplicacions tecnològiques, i també per a l'observació d'altres fenòmens exòtics relacionats amb els electrons en sòlids, com ara la quantització de l'acoblament magnetoelèctric o fermions de Majorana.
Guia d’ones formada amb una secció de cristall fotònic (cercles blaus) i una paret metàl·lica (vora taronja). El senyal (vermell) avança en un sol sentit per la vora de la guia, i no pateix pèrdues encara que trobi un obstacle (marró) de grans dimensions
© Fototeca.cat
Una altra manifestació de les implicacions d'un trencament de la simetria d'inversió temporal és la transmissió d'ones electromagnètiques amb un esmorteïment negligible en una guia d'ones realitzada amb un cristall fotònic, que va ser observada pel grup de Marin Soljačić John Joannopoulos del MIT. La transmissió es realitza a través d'estats en la superfície del material. La part més espectacular d'aquesta sèrie d'experiments és la comprovació de la robustesa de la transmissió davant la presència d'obstacles en el material. En concret, els investigadors van col·locar una barrera de mida variable entre els punts d'emissió i captura del senyal electromagnètic sense que el senyal rebut patís cap esmorteïment destacable, cosa que va confirmar la protecció que el caràcter topològic d'aquests estats els confereix. Atesa la flexibilitat en el disseny dels cristalls fotònics, aquests resultats són de gran interès per a la futura construcció de guies d'ones extremament robustes contra imperfeccions en la seva pròpia fabricació.
En el camp de la física atòmica, cal mencionar la comprovació experimental del caràcter "contextual" de la mecànica quàntica i, per extensió, de la realitat que ens envolta. La no-contextualitat és la propietat d'un model de la realitat segons el qual els resultats de les mesures de dos observables compatibles (és a dir, que la mesura d'un no depèn de la mesura de l'altre) són independents de quins observables compatibles es decideixin mesurar. D'acord amb un teorema de Kochen, Specker i Bell de la dècada de 1960, la mecànica quàntica és contextual, és a dir, el resultat de les mesures depèn de quins observables triem, encara que siguin "compatibles". Doncs bé, una sèrie d'experiments fets pel grup de Christian Roos i Rainer Blatt a Innsbruck, amb el suport teòric d'Adán Cabello, de la Universitat de Sevilla, van mostrar que la realitat es comporta tal com preveu la mecànica quàntica, i no com preveuen models de variables ocultes. Cal destacar que aquest resultat, a diferència de la comprovació de les desigualtats de Bell relatives a l'entrellaçament quàntic, és independent de l'estat quàntic en particular que s'observa (l'experiment en qüestió s'ha fet tant amb estats entrellaçats com separables). Es tracta d'una propietat de la mateixa estructura de la teoria quàntica, i no d'una família concreta d'estats quàntics.
Finalment, cal mencionar la pèrdua, al mes setembre, del professor Joaquim Català. Catedràtic a la Universitat de València des de l'any 1944, va fer una estada a la Universitat de Bristol, on va aprendre l'estudi de plaques fotogràfiques en què les traces de partícules subatòmiques eren enregistrades. Un cop va haver retornat, va ser un dels fundadors de l'Institut de Física Corpuscular de València i autèntic pioner de la física de partícules a Espanya. Va ser investit doctor honoris causa per la Universitat de València l'any 2001.