La primera radiografía de un solo átomo y la constatación de que las primeras galaxias transformaron el universo figuran entre los hitos más destacados en Física durante 2023, según la revista Physics World, que otorga también una mención honorífica al avance logrado en la energía de fusión.
El descubrimiento de que la luz se comporta igual tanto en el tiempo como en el espacio, de que la antimateria responde a la atracción gravitacional de la Tierra de forma similar a la materia, o el acceso conseguido a la información contenida en la estructura interna de un protón, son algunos de los hitos alcanzados por la Física en 2023, según la revista Physics World, editada por el IOP Publishing, la editorial del Instituto de Física del Reino Unido, que es líder en el mundo.
Este año la Física también ha conseguido importantes aplicaciones, como implantar electrodos en crecimiento dentro de tejidos vivos, que una persona parapléjica vuelva a caminar gracias a un implante controlado por el pensamiento, y que un repetidor cuántico experimental haya sentado las bases para una red cuántica de larga distancia en un solo sistema.
Esta selección fue realizada por un panel de editores de Physics World, que analizaron cientos de actualizaciones de investigación publicadas este año en todos los campos de la Física, para determinar los más destacados por lo que representan para el progreso científico y tecnológico.
Electrodos en crecimiento dentro de tejido vivo
Un equipo de investigadores de las universidades de Linköping, Lund y Gotemburgo ha desarrollado una nueva forma de crear circuitos electrónicos directamente dentro del tejido vivo, basada en un gel inyectable. Esta técnica permitirá estudiar el complejo señalamiento eléctrico del sistema nervioso o modular el circuito neural para tratar enfermedades. El método consiste en inyectar un gel que contiene enzimas y monómeros orgánicos en el tejido vivo. Las enzimas descomponen los metabolitos endógenos del cuerpo, lo que desencadena la polimerización de los monómeros en el gel, convirtiéndolos en electrodos blandos y estables. Los investigadores validaron el proceso inyectando geles en peces cebra y sanguijuelas medicinales, donde el gel se polimerizó y creció electrodos dentro del tejido.
Los neutrinos investigan la estructura del protón
Un grupo de físicos de las universidades de Rochester y York, que trabajan en el experimento MINERvA del Fermilab, ha demostrado cómo se puede obtener información sobre la estructura interna del protón a partir de la dispersión de neutrinos en un objetivo de plástico. Los neutrinos son partículas subatómicas que son famosas por interactuar raramente con la materia. Por eso, había dudas cuando Tejin Cai, un investigador postdoctoral, sugirió que se podía observar la señal de los neutrinos dispersados por protones solitarios (núcleos de hidrógeno) dentro del ruido de fondo de los neutrinos dispersados por protones ligados en núcleos de carbono.
El gran desafío para el equipo fue identificar los eventos de dispersión de neutrinos en protones libres, que ocurren una vez cada 10.000 colisiones de neutrinos. El equipo logró hacerlo mediante un análisis estadístico de los datos del detector, y encontró que la dispersión de neutrinos en protones libres es diferente de la dispersión en protones ligados. Este resultado podría ayudar a mejorar la precisión de las medidas de la masa del neutrino y la oscilación de los sabores. La técnica también podría arrojar más luz sobre cómo interactúan los neutrinos con la materia.
Simulando un universo en expansión en un BEC
Un grupo de físicos de Alemania, España (UCM), Bélgica y Estados Unidos ha utilizado un condensado de Bose-Einstein (CBE) para simular un universo en expansión y los campos cuánticos que hay en él. Un CBE es un estado de la materia en el que un conjunto de átomos se comporta como una sola partícula cuántica. En este sistema simulado, el CBE representaba el universo, mientras que los fonones, que son vibraciones sonoras, hacían el papel de los campos cuánticos. Al cambiar la longitud de dispersión de los átomos en el CBE, el equipo hizo que el “universo” se expandiera a diferentes velocidades y estudió cómo los fonones generaban fluctuaciones de densidad en él. Las teorías de la cosmología predicen que efectos similares fueron los responsables de crear la estructura a gran escala del universo primitivo, por lo que el universo simulado podría aportar valiosas pistas sobre cómo el universo real llegó a ser como es hoy.
Una doble rendija en el tiempo: la luz se comporta igual tanto en el tiempo como en el espacio
Un grupo de físicos del Imperial College de Londres y otros centros ha demostrado la interferencia de Young de doble rendija en el tiempo. Este es un experimento que muestra la naturaleza ondulatoria de la luz, al igual que el famoso experimento de Young del siglo XIX, que usaba dos rendijas estrechas en el espacio. Pero en este caso, los investigadores usaron dos rendijas que aparecían y desaparecían rápidamente en el tiempo. Esto hace que la luz conserve su posición en el espacio, pero cambie su frecuencia. Los investigadores lograron esto al variar la reflectividad de un espejo de semiconductor dos veces seguidas y medir el espectro de frecuencia de la luz reflejada. Vieron que la interferencia ocurre entre ondas de diferentes frecuencias, en lugar de diferentes posiciones. Este trabajo podría tener varias aplicaciones, como interruptores ópticos para el procesamiento y la comunicación de señales o la computación óptica.
Una persona parapléjica vuelve a caminar gracias a un implante controlado por el pensamiento
Un grupo de científicos de Suiza y Francia ha desarrollado un «puente digital» entre el cerebro y la médula espinal que permitió a una persona con parálisis ponerse de pie y caminar de forma natural. La lesión medular puede interrumpir la comunicación entre el cerebro y la región de la médula espinal que produce el movimiento de las piernas, lo que puede provocar una parálisis permanente. Para restaurar esta comunicación, el equipo diseñó una interfaz cerebro-médula, que consta de dos sistemas implantables: uno para registrar la actividad cortical y descifrar la intención del usuario de mover las extremidades inferiores; y otro para estimular eléctricamente la región de la médula espinal que controla el movimiento de las piernas. El equipo probó el sistema en un hombre de 38 años con una lesión medular por un accidente de bicicleta 10 años antes. Tras la cirugía de implante, el puente permitió al participante recuperar el control intuitivo sobre sus movimientos de las piernas, lo que le permitió ponerse de pie, caminar, subir escaleras y atravesar terrenos complejos.
Bloques de construcción para una red cuántica a gran escala
Un grupo de científicos de Austria y Francia ha construido un repetidor cuántico y lo ha usado para transferir información cuántica a una distancia de 50 km a través de fibras ópticas estándar, demostrando así todas las funcionalidades clave de una red cuántica de larga distancia en un solo sistema. El repetidor cuántico está formado por dos iones de calcio-40 atrapados que emiten fotones después de ser iluminados con un pulso láser. Estos fotones, que están entrelazados con sus iones «padres», se convierten luego a longitudes de onda de telecomunicaciones y se envían por dos fibras ópticas separadas de 25 km de longitud. Finalmente, el repetidor intercambia el entrelazamiento de los dos iones, dejando dos fotones entrelazados a 50 km de distancia, aproximadamente la distancia necesaria para crear redes de gran escala con múltiples nodos. Este desarrollo podría facilitar la comunicación cuántica segura y eficiente entre diferentes lugares.
Primera imagen de rayos X de un solo átomo
Un grupo de científicos de Estados Unidos ha logrado captar la primera imagen de rayos X de un solo átomo, lo que permite estudiar los materiales y sus estados químicos con mayor resolución que nunca. Hasta hace poco, el tamaño mínimo de una muestra que se podía analizar con rayos X sincrotrón y microscopía de efecto túnel era de un attogramo, que equivale a unos 10.000 átomos. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por un átomo es muy débil y los detectores convencionales no son lo suficientemente sensibles para detectarla. Para solucionar esto, el equipo añadió una punta metálica afilada a un detector de rayos X convencional, que se colocó a solo 1 nm de la muestra a estudiar. Al mover la punta afilada sobre la superficie de la muestra, los electrones pasan por el espacio entre la punta y la muestra, creando una corriente que detecta las «huellas dactilares» que son únicas para cada elemento. Esto permitió al equipo combinar la resolución espacial ultraalta de la microscopía de efecto túnel con la sensibilidad química proporcionada por la iluminación de rayos X intensa. La técnica podría tener aplicaciones en el diseño de materiales y en la ciencia ambiental, al poder rastrear materiales tóxicos hasta niveles muy bajos.
Prueba irrefutable de que las primeras galaxias transformaron el universo
Un grupo de científicos de la colaboración EIGER ha usado el telescopio espacial James Webb (JWST) para encontrar pruebas convincentes de que las primeras galaxias fueron las responsables de la reionización del universo primitivo. La reionización fue el proceso por el que el gas de hidrógeno neutro se ionizó, haciendo que el universo fuera transparente a la luz que antes era absorbida por el hidrógeno. La reionización ocurrió unos mil millones de años después del Big Bang y parece que empezó como burbujas locales que crecieron y se fusionaron. Estas burbujas se habrían creado por fuentes de radiación, y una posibilidad es que provinieran de las estrellas en las galaxias. Los investigadores de EIGER usaron la cámara de infrarrojo cercano del JWST para observar la luz de antiguos cuásares que había atravesado las burbujas ionizadas. Encontraron una correlación entre las posiciones de las galaxias y las burbujas, lo que sugiere que la luz de estas primeras galaxias fue la causante de la reionización.
Grietas supersónicas en materiales
Un grupo de físicos de Israel ha descubierto que las grietas en ciertos materiales pueden propagarse más rápido que el sonido. Este resultado contradice tanto los resultados experimentales previos como las predicciones basadas en la teoría clásica, que afirman que la propagación de grietas supersónicas no debería ser posible porque la velocidad del sonido en un material refleja la rapidez con la que la energía mecánica se mueve a través de él. Las observaciones del equipo pueden indicar la presencia de una dinámica llamada «supershear», que se rige por principios diferentes a los que guían las grietas clásicas, como predijo Michael Marder de la Universidad de Texas en Austin, EE.UU., hace casi 20 años.
La antimateria no levita
Un grupo de físicos de la colaboración ALPHA ha demostrado que la antimateria responde a la gravedad de la misma manera que la materia. Los físicos utilizaron el experimento ALPHA-g en el CERN para hacer la primera observación directa de átomos de antimateria en caída libre: antihidrógeno, que está formado por un antiprotón unido a un positrón. Esto lo hicieron en una cámara de vacío cilíndrica y alta, en la que el antihidrógeno se mantuvo primero en una trampa magnética. El antihidrógeno se liberó de la trampa y se dejó aniquilar en las paredes de la cámara. El equipo encontró que más aniquilaciones ocurrieron debajo del punto de liberación que encima de él. Tras considerar el movimiento térmico del antihidrógeno, el equipo concluyó que la antimateria cae hacia abajo. Curiosamente, la aceleración del antihidrógeno debido a la gravedad fue de alrededor del 75% de la que experimenta la materia normal. Aunque esta medida tiene una baja significación estadística, deja la puerta abierta a una nueva física más allá del modelo estándar.
Mención de honor: Avance de la energía de fusión
La revista añade a los 10 logros citados, una mención de honor para los físicos que trabajan en la Instalación Nacional de Ignición (NIF): lograron recrear la energía nuclear de fusión, que es el proceso que alimenta al Sol y otras estrellas. Lo hicieron usando un láser muy potente para calentar y comprimir una pequeña cantidad de hidrógeno, que es el elemento más ligero del universo. Al hacerlo, consiguieron que dos átomos de hidrógeno se fusionaran y formaran un átomo más pesado, liberando mucha energía. Lo más importante es que la energía que obtuvieron fue mayor que la que usaron para iniciar la reacción, lo que nunca se había logrado antes. Esto abre la posibilidad de usar la fusión nuclear como una fuente de energía limpia, segura y casi ilimitada en el futuro.
