Semimetalls de Dirac i fermions de Majorana
Des de fa alguns anys s’estudien materials amb propietats anomenades topològiques, és a dir, que són determinades no només per característiques locals de la mostra i com s’hi connecten les diferents sondes per estudiar-la, sinó també per propietats globals. Un exemple típic són els anomenats aïllants topològics. Un altre és el grafè, que és un semimetall de Dirac perquè el comportament dels electrons en el seu interior ve determinat per l’equació de Dirac, formulada el 1928, que determina que l’energia dels electrons que es mouen en el seu interior és directament proporcional a la seva velocitat, de manera similar al que passa amb els fotons en el buit. Tanmateix, el fet que sigui bidimensional posa certes limitacions a les seves possibles aplicacions tecnològiques. Això va dur fa uns quants anys a explorar la possible existència d’altres materials que presentin el mateix comportament de semimetall de Dirac però en tres dimensions. Aquesta cerca va tenir èxit enguany quan tres grups van observar, independentment, aquest comportament en els materials bismutat de sodi (Na3Bi) i arseniur de cadmi (Cd3As2). Mitjançant la tècnica ARPES (acrònim d’Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ‘espectroscòpia de fotoemissió amb resolució angular’) van poder demostrar que els electrons en aquests materials tenen la relació de dispersió relativista prevista al llarg de les tres direccions espacials. Per bé que aquests materials en concret són relativament fràgils i difícils de produir, aquesta descoberta obre una àmplia finestra per a futures aplicacions.
Un altre progrés destacat en la física de la matèria condensada va ser l’observació de fermions de Majorana en una cadena unidimensional d’àtoms de ferro sobre un substrat superconductor de plom. Un fermió de Majorana és una partícula hipotètica que obeeix l’estadística de Fermi i que és, a la vegada, la seva antipartícula; aques-ta possibilitat va ser teoritzada per Ettore Majorana el 1937, però fins ara no s’havia observat en partícules lliures. L’any 2013 hi va haver unes primeres observacions de modes d’excitació col·lectius en nanofils superconductors, però se les va considerar poc concloents perquè podien ser degudes a l’efecte Kondo o a desordre en les mostres. Enguany, el grup d’Ali Yazdani (Universitat de Princeton) va presentar resultats més convincents, ja que havien pogut observar dues propietats fonamentals: que els modes en qüestió estan localitzats als extrems del sistema i la seva desaparició quan el sistema unidimensional deixa de ser superconductor (fet que no passaria en el cas de l’efecte Kondo). Els propers passos en la recerca hauran de verificar la seva estadística, en particular quan es puguin observar en sistemes bidimensionals.
Evidència controvertida d’inflació cosmològica
Fotografia que mostra els tres telescopis encarregats d’estudiar la inflació cosmològica (d’esquerra a dreta): South Pole Telescope, BICEP2 Telescope i Keck Array Telescope
© Steffen Richter, Harvard University / NSF South pole Station Dark Sector
El model cosmològic estàndard postula una gran explosió inicial (Big Bang), seguida al cap d’una fracció minúscula de temps d’una expansió exponencial de la seva mida, l’anomenada inflació còsmica proposada a principi dels anys vuitanta per Guth i Linde. Existia una evidència experimental del Big Bang, des de l’observació del fons còsmic de microones el 1965, però faltava una evidència convincent de la inflació. Al març del 2014, l’equip del telescopi BICEP2 (acrònim de Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, ‘observació de fons de la polarització còsmica extragalàctica’) va informar d’una anàlisi de la polarització de la radiació de fons de microones amb una freqüència de 150 GHz en una regió particular del cel amb gran resolució espacial. A partir d’aquesta anàlisi va concloure que la polarització observada només era comprensible dins d’un model amb inflació que hagués causat la presència d’ones gravitatòries d’una energia característica.
Immediatament, es va generar un fort debat en la comunitat científica, centrat sobretot en el pes que pogués tenir en la polarització mesurada l’efecte de la pols continguda en la nostra pròpia galàxia, un paràmetre difícil de mesurar i estimar. Posteriorment, resultats del satèl·lit Planck de l’Agència Espacial Europea van mostrar que la polarització generada per aquesta pols pot ser dues o tres vegades més gran del que s’havia estimat en l’estudi del BICEP2. Val a dir que els resultats del Planck són per a una freqüència diferent de l’espectre de la radiació de fons, i que no cobreixen la regió del cel que ha estudiat el BICEP2. Tot plegat va rebaixar la força de les possibles implicacions cosmològiques (existència d’etapa inflacionària, observació d’ones gravitatòries) de les observacions del BICEP2, tanmateix ja hi ha en marxa una nova recollida de dades, en aquest cas a dues freqüències diferents, pel Keck Array –un conjunt de telescopis situats també al pol sud–, i que, per tant, podran aportar noves dades sobre la mateixa regió del cel els propers anys.
Neutrins solars
A cavall de l’astrofísica i la física de partícules fonamentals, cal mencionar l’observació per primera vegada de neutrins procedents del nucli del Sol causats per un dels processos fonamentals de formació d’heli 4 a partir de la fusió de dos protons. La formació de cada nucli d’heli 4 requereix la transformació de dos protons en dos neutrons i l’emissió de dos neutrins, però aquests poden tenir diferents energies. L’observació dels neutrins més energètics es va aconseguir ja fa uns quants anys, cosa que va resoldre el misteri dels "neutrins solars" i va demostrar que aquestes partícules fonamentals tenen massa diferent de zero. Enguany, el detector Borexino (situat a les muntanyes del Gran Sasso, a Itàlia) va observar per primera vegada els neutrins emesos amb menor energia i que corresponen de fet al 90% del nombre total de neutrins emesos. Aquestes mesures són essencials per a millorar la nostra comprensió dels processos nuclears que ocorren i les seves implicacions per a la física d’estels com el Sol, ja que són responsables del 99% de l’energia que aquest emet.
Ràpid progrés cap a cèl·lules fotovoltaiques més eficients
Actualment hi ha una gran varietat de tecnologies fotovoltaiques per a la conversió de l’energia solar en energia elèctrica. El membre més jove d’aquesta família són les anomenades perovskites, materials descrits per la fórmula del tipus ABX3, on A i B són dos cations i X és un anió. Enguany, les cèl·lules fotovoltaiques basades en perovskites han mostrat un progrés espectacular en eficiència, ja que han passat de menys del 7% a final del 2011 fins a un rècord del 19,3% amb CH3NH3PbI3, segons va publicar el grup del professor Yang Yang de la Universitat de Califòrnia (Los Angeles). Les xifres situen aquesta tecnologia a mig camí del que s’ha assolit amb cèl·lules multiunió, i per tant es tracta del progrés més ràpid mai observat en aquest camp i en un interval de temps tan curt. Això, juntament amb el gran nombre de tècniques de fabricació i mecanismes conceptualment diferents presents entre les mostres més eficients, fa pensar que hi ha un ampli marge de progrés per a il·luminar el camí en el futur proper.
Premis i comiats
Els japonesos Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura van ser guardonats amb el premi Nobel de física per la invenció de díodes emissors de llum (LED) blava eficients
© Mike Decal
El premi Nobel de física d’aquest any va ser atorgat als investigadors japonesos Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura per la invenció de díodes emissors de llum (LED) blava eficients, que han possibilitat fonts de llum blanca brillants i eficients. Efectivament, els díodes emissors de llum vermella i verda han estat disponibles durant dècades, però no va ser fins a la dècada dels anys noranta que va ser possible crear-ne que emetessin llum blava de manera eficient. Això va obrir la porta a un ampli ventall d’aplicacions, com els llums LED per a il·luminar casa nostra, les pantalles LED de televisors i telèfons mòbils o els lectors de discs Blu-ray. Sens dubte, és un descobriment amb un impacte indubtable en la nostra vida, en la línia de la voluntat d’Alfred Nobel quan va establir els premis.
D’altra banda, el premi Nobel de química va ser concedit als físics Eric Betzig i Stefan W. Hell i al químic físic William E. Moerner pel desenvolupament de la microscòpia de fluorescència amb superresolució. Les tècniques que van desenvolupar aquests investigadors han possibilitat d’observar amb precisió les molècules que es troben en la superfície i a l’interior de les cèl·lules vives, i fins i tot veure com s’hi mouen, obrint una porta a la recerca biològica que semblava tancada pel teorema d’Abbe sobre la resolució dels microscopis òptics.
Finalment, cal mencionar la desaparició de Manuel Cardona i Castro (1934 – 2014), un dels físics d’estat sòlid més destacats del segle XX, amb més de 1.300 publicacions, inclosos 10 llibres de recerca i un de text. També enguany ens van deixar el suís Martin C. Gutzwiller (1925 – 2014), conegut per la seva recerca en sistemes complexos i fortament correlacionats i la teoria del caos; Oleg Ivanovsky (1922 – 2014), enginyer espacial soviètic que va tenir un paper destacat en les missions Sputnik 1 i 2 i Vostok 1; i Martin L. Perl (1927 – 2014), el qual va rebre el premi Nobel de física l’any 1995 per la descoberta del leptó tau l’any 1975.