Esquema que mostra l’estudi de la llum dels quàsars llunyans per a detectar l’asimetria en el valor de la constant d’estructura fina α
© UNSW 2010 / Dr. Julian Berengut
La notícia de l’any en el camp de la física va ser la detecció d’una asimetria en el valor de la constant d’estructura fina å en direccions oposades de l’Univers. Aquesta constant és una magnitud que indica la intensitat de la interacció responsable de mantenir units els electrons en els àtoms, i uns àtoms amb altres per formar molècules. Des de fa anys, hi ha un gran interès a estudiar possibles canvis en el valor de å al llarg de l’evolució de l’Univers, ja que això tindria importants conseqüències en l’estudi de la cosmologia, l’origen de l’Univers i també en les simetries de les lleis de la física. Així, mitjançant l’estudi de la llum que ens arriba des de quàsars llunyans situats en el cel de l’hemisferi nord, s’havia detectat que el valor de å a una distància d’uns quants milers de milions d’anys difereix en una part sobre 10.000 del valor que es pot mesurar avui a la Terra. El resultat que el grup liderat per John Webb i Victor Flambaum, de la Universitat de Nova Gaqes del Sud (Austràlia), va aportar el 2010 es refereix a dades de quàsars del cel de l’hemisferi sud. En aquest cas, han detectat una variació de å de magnitud similar a l’anterior, però amb el signe oposat: fa milers de milions d’anys, å era més gran en aquelles regions de l’espai del que és avui en dia a la Terra. Aquests dos resultats junts impliquen, doncs, que fa milers de milions d’anys, å no era una constant, sinó que tenia valors diferents depenent de les regions de l’espai. La confirmació d’aquest resultat, amb l’anàlisi de més dades que es puguin recollir els propers anys, posaria en dubte el principi d’equivalència de la relativitat general.
També d’un gran interès per a la comprensió de l’Univers tal com el coneixem és la determinació de les raons que fan que l’Univers que observem estigui ple de matèria i pràcticament buit d’antimatèria. El model estàndard de la física de partícules necessita argumentar que certs processos trenquen l’anomenada “simetria CP” (càrrega-paritat) per a explicar aquesta gran asimetria entre les abundàncies de matèria i antimatèria, però les observacions experimentals no han estat capaces fins avui de trobar cap procés que sigui prou “asimètric” per a explicar les observacions. Això ha dut a la cerca de “nova física” més enllà del model estàndard. En aquest context és on cal situar l’experiment D0 de l’accelerador Tevatron de Fermilab (Chicago). En aquest experiment es fan xocar protons amb antiprotons de gran energia, i es produeixen unes partícules anomenades mesons B, així com les seves antipartícules (mesons anti-B). L’estudi dels productes del decaïment d’aquests mesons i antimesons permet estimar fins a quin punt la simetria CP és violada o no en aquests processos d’alta energia. Així doncs, els experiments que es van dur a terme a Chicago van mostrar que el mesó B “viu” notablement més que no pas el mesó anti-B, fet que apunta a un alt grau d’asimetria en llurs processos de decaïment. De fet, després d’una detallada anàlisi de les possibles fonts d’error i incertesa experimentals, els autors conclouen que l’asimetria observada és molt superior al que preveu el model estàndard. En tot cas, caldran més dades experimentals per a corroborar o rebutjar aquests resultats; en aquest sentit, s’espera que els experiments que es duran a terme en el detector LHCb del CERN, a Ginebra (Suïssa) siguin particularment rellevants.
Cambra de buit per a realitzar l’experiment de les partícules brownianes suspeses en l’aire
© Texas University / Tongcang Li
Un experiment força diferent és el que va dur a terme el grup de Mark Raizen a la Universitat de Texas, a Austin. El que Raizen i els seus col·legues van fer ha estat seguir el moviment d’unes petites esferes de silici suspeses en l’aire, a causa de les col·lisions d’aquestes esferes amb les molècules del gas. Es tracta d’un cas de moviment brownià que el botànic Robert Brown el 1827 havia observat per primera vegada (tot i que hi ha una referència a De rerum Natura de Lucreci) i que Albert Einstein havia explicat amb un model microscòpic en un article del 1905. Segons aquest model, el moviment de les partícules suspeses es compon d’un seguit de moviments balístics, interromputs de tant en tant per col·lisions amb les partícules del medi, que fan que les partícules suspeses can-viïn la direcció i la velocitat del seu moviment de manera sobtada. Alguns dels aspectes d’aquest model ja van ser comprovats experimentalment per Jean Perrin, però el que no s’havia pogut veure fins ara (i Einstein ho havia considerat pràcticament impossible de veure) era el caràcter balístic del moviment entre dos xocs, ja que, per a suspensions en medis líquids, el temps entre dos xocs sol ser tan breu com ho són unes poques dècimes de microsegon. El grup de Raizen va emprar com a medi l’aire, que és molt menys viscós que un líquid, la qual cosa fa que el temps entre col·lisions s’allargui fins a les dècimes de miqisegon, fet que va permetre l’observació directa.
Observació d’una transició quàntica de fase en àtoms en una xarxa òptica. En un condensat de Bose-Einstein (esquerra), la densitat d’àtoms presenta grans fluctuacions entre un lloc de la xarxa i un altre. En un aïllant de Mott (centre), el nombre d’àtoms és gairebé constant (zero o u) sobre la xarxa. Per una major quantitat d’àtoms apareix una estructura de capes característica (dreta)
© Institut Max Planck d'Òptica Quàntic, Garching, Alemanya / Stefan Kuhr
Seguint amb l’observació del comportament de partícules aïllades, fins fa poc considerada impossible, cal esmentar l’observació del moviment d’àtoms individuals en una xarxa òptica duta a terme independentment pels grups de Markus Greiner (Harvard) i Stefan Kuhr (Garching, Alemanya). Mitjançant l’ús de lents amb un gran poder de magnificació, aquests laboratoris són capaços de determinar si un determinat punt de l’espai amb una extensió d’uns pocs centenars de nanòmetres està ocupat o no per un àtom de rubidi, i ho poden fer de manera dinàmica. Això vol dir que poden seguir en temps real la redistribució d’àtoms que té lloc durant una transició quàntica de fase, i obre grans perspectives per a l’estudi de la dinàmica de transicions de fase i d’altres processos fora de l’equilibri.
Reproducció per ordinador d’un punt quàntic (esfera vermella) acoblat a una nanoantena formada d’unes barres d’or que en dirigeixen la radiació (en color vermell)
© ICFO / Niek van Hulst
En el camp de la física aplicada, cal destacar un avenç realitzat a l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Castelldefels. El grup dels professors Niek van Hulst i Romain Quidant va desenvolupar una versió nanoscòpica de la famosa antena Yagi-Uda (la tradicional antena que trobem als terrats de les cases per rebre la televisió analògica). La nanoantena desenvolupada a l’ICFO permet acoblar un punt quàntic “emissor”, així la radiació que aquest emet passa a tenir una forta direccionalitat. Els investigadors creuen que el mateix dispositiu també ha de permetre focalitzar un senyal cap a un punt quàntic “receptor”, de manera que, en un futur proper, aquestes nanoantenes podrien ser elements clau en la construcció de nous sistemes de comunicació basats en la tecnologia quàntica de la llum.
No es pot acabar aquest breu repàs sense mencionar el premi Nobel de física, que aquest any va ser atorgat als investigadors russos Andre Geim i Konstantin Sergejevivč Novoselov, de la Universitat de Manchester, pels seus experiments relacionats amb la producció del grafè, un material compost per una capa d’un sol àtom de gruix d’àtoms de carboni disposats en una xarxa hexagonal. Aquests investigadors van descobrir el 2004 una tècnica que permet la producció d’aquest material de manera relativament simple, cosa que ha dut a una explosió en la investigació d’aquest material, que es considera molt prometedor des d’un punt de vista tecnològic per les seves particulars propietats de conductivitat elèctrica i tèrmica. Val a dir que Andre Geim va rebre l’any 2000 (juntament amb Sir Micheal Berry) el premi Ig Nobel de física “per emprar imants per a levitar una granota”. Es tracta del primer cop que una mateixa persona rep els premis Nobel i Ig Nobel.
Finalment, cal lamentar la mort de Nicola Cabibbo, nascut el 1925, investigador pioner en la física d’altes energies amb estranyesa, i de Georges Charpak, nascut el 1924, que va rebre el premi Nobel de física l’any 1992 per la invenció i el desenvolupament de detectors de partícules.
50 anys del làser
Làser
© Texas University / Tongcang Li
El 6 d’agost de 1960 va aparèixer un article signat per Theodore H. Maiman en la revista Nature en què es relatava l’observació de l’emissió de radiació per un cristall de robí estimulada per una làmpada de mercuri. Es tractava de la primera realització d’un aparell làser (acrònim de l’anglès light amplification by stimulated emission of radiation, ‘amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació’). Enguany, doncs, en celebrem el cinquantè aniversari.
Pensem en la llum com un feix format per un gran nombre d’unes partícules de llum, que els físics anomenen fotons. La llum làser es caracteritza per ser coherent (tots els fotons que formen el feix de llum marxen en sincronia, com els soldats d’un exèrcit), extremament pura (només es compon d’una freqüència o color) i direccional (a diferència de la llum, que prové, per exemple, d’una bombeta incandescent, la qual emet llum en totes direccions). El principi de funcionament del làser va ser formulat per Albert Einstein el 1917 en introduir el concepte d’emissió estimulada de radiació per un àtom: si un àtom està en un estat excitat amb energia E i l’iquminem amb llum de freqüència propera a E/h (on h és l’anomenada constant de Planck), l’àtom tendirà a desexcitar-se emetent un fotó de freqüència precisament igual a la de la llum i en la mateixa direcció, passant així a “amplificar” el nombre de fotons amb aquella freqüència.
Des d’aquesta primera teoria fins a la realització de Maiman hi va haver, no cal dir-ho, un gran nombre d’idees i discussions sobre la possibilitat real d’observar aquest efecte, i també algunes batalles legals sobre patents i prioritats. Diversos autors responsables d’aquests avenços i aplicacions han estat reconeguts amb el premi Nobel. Els primers van ser Charles Townes, Nicolay Basov i Aleksandr Prokhorov, l’any 1964, pels seus treballs pioners en electrònica quàntica, la base del làser. Curiosament, però, no el va rebre Maiman per la primera demostració. Posteriorment, van ser guardonats Bloembergen i Schawlow (col·laborador de Townes), l’any 1981, pel desenvolupament de l’espectroscòpia làser, una de les primeres aplicacions dels làsers. Més recentment, destaca el premi del 1997 a S. Chu, C. Cohen-Tannoudji i W. Phillips pel refredament d’àtoms amb feixos làser, que va dur de manera gairebé immediata a l’assoliment de la condensació de Bose-Einstein (premi Nobel 2001 als investigadors Cornell, Ketterle i Weiman).
En qualsevol cas, hi ha pocs dubtes sobre l’impacte que, a llarg termini, ha tingut aquest descobriment —o potser seria més adequat parlar d’invenció— tant en l’alta tecnologia com en la nostra vida quotidiana. Així, lluny de la ironia inicial que va dur alguns investigadors a dir que el làser era “una solució a la recerca d’un problema”, avui en dia trobem làsers arreu. Per començar, làsers molt sofisticats que es fan servir en la indústria per a tallar, però també per a soldar, per a fondre, polir, etiquetar, detectar substància químiques, i un llarg etcètera. Així mateix, trobem làsers en els reproductors de CD i DVD, en la cirurgia refractiva (per corregir miopies), en les impressores de casa, en espectacles de llum i so, o per a la depilació, sense oblidar el modest escàner de codis de barres del supermercat. És, doncs, una tecnologia que ha obtingut un gran èxit, i se li augura un futur no menys destacat, fins al punt que l’aplicació de la llum coherent dels làsers ha donat lloc a una nova branca de la ciència, anomenada fotònica.
En les fronteres de la recerca, es fan servir làsers per a mesures ultraprecises del temps (rellotges òptics), per a manipulació d’àtoms, ions i biomolècules (trampes i pin-ces òptiques), per a explorar el buit quàntic i la física d’altes energies, i també se’ls empra per a comunicacions ultrasegures i prototips dels anomenats ordinadors quàntics, cridats a revolucionar la nostra capacitat de càlcul en un futur més o menys llunyà.
Es tracta, en resum, d’unes noces d’or lluny del conformisme o l’enyorança que de vegades acompanyen recordar vells temps, sinó plenes d’activitat a tots els nivells de la recerca i el desenvolupament, i amb la perspectiva de contribuir a nous descobriments i invencions que, de ben segur, canviaran novament el món on vivim.