Estrimad@s amantes del LEAN:
La superconductividad es el Santo grial de la Física-ingeniería
Poder disponer de resistencia cero en algún material, a
temperatura ambiente, revolucionaría todos los conceptos de costes de energía
en que se basa nuestra industria
Uno de los eternos candidatos es el grafeno, siempre rodeado
de pros y sus contras
Parece que ahora estamos más cerca de conseguirlo: este
artículo ( publicado en Investigación y Ciencia esta semana ) sobre una estructura especial de grafeno que
puede conducir electrones sin resistencia parece que nos acerca un poco más al
objetivo soñado
Disfrutad de los detalles
Un sorprendente
descubrimiento sobre el grafeno podría desentrañar secretos de la
superconductividad: se logra que unas capas de grafeno mal alineadas conduzcan
electricidad sin resistencia.
Unos físicos han descubierto que un emparedado de dos capas
de grafeno puede conducir electrones sin resistencia si están desalineadas
entre sí según un «ángulo mágico». Podría ser un paso importante en la larga
búsqueda de la superconductividad a temperatura ambiente.
La mayoría de los superconductores funciona solo a
temperaturas cercanas al cero absoluto. Los «superconductores de alta
temperatura» se llaman así solo en un sentido relativo: la mayor temperatura a
que conducen electricidad sin resistencia es de unos -140 grados. Un material
que exhibiese esa característica a temperatura ambiente, con lo que se
prescindiría de un caro enfriamiento, revolucionaría la transmisión de energía,
los escáneres médicos y el transporte.
Se ha informado ahora de que el grafeno se vuelve
superconductor cuando se disponen dos capas de grafeno de un solo átomo de
espesor de modo que el patrón de los átomos de carbono de una esté desplazado
con respecto al de la otra en un ángulo de 1,1º. Y aunque el sistema aún tiene
que ser enfriado a 1,7 grados sobre el cero absoluto, el resultado da a
entender que podría conducir electricidad como lo hacen unos superconductores
de alta temperatura ya conocidos, y eso ha apasionado a los físicos. Se ha
publicado el 5 de marzo, junto con otro
artículo, en Nature.
Si se confirma, este descubrimiento podría ser «muy
importante» para el conocimiento de la superconductividad de alta temperatura,
dice Elena Bascones, física del Instituto de Ciencia de los Materiales de
Madrid. «Podemos esperar un frenesí de actividad experimental en los próximos
meses», afirma Robert Laughlin, físico de la Universidad Stanford de California
y premio Nobel.
Hay, en líneas generales, dos tipos de superconductores: los
convencionales, cuyo comportamiento puede ser explicado por la teoría de la
superconductividad ordinaria, y los que no son convencionales y no pueden ser
explicados por esa teoría. Los últimos estudios parecen indicar que la
superconductividad en el grafeno no es convencional y tiene paralelismos con la
de otros superconductores no convencionales, los cupratos. Se sabe que estos
complejos óxidos de cobre conducen electricidad hasta los 133 grados sobre el
cero absoluto. Y aunque los físicos llevan estudiando los cupratos durante
treinta años en su persecución de la superconductividad a temperatura ambiente,
el mecanismo por el que son superconductores sigue escapándoseles.
A diferencia de los cupratos, el sistema de grafeno apilado
es bastante simple y se trata de un material que se entiende bien. «La
asombrosa consecuencia es que la superconductividad de los cupratos había
estado siendo en todo momento algo muy simple», dice Laughlin.
Truco mágico
El grafeno ya tenía propiedades impresionantes: sus láminas,
formadas por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos, son
más fuertes que el hierro y conducen la electricidad mejor que el cobre. Ha
mostrado superconductividad antes, pero se producía en contacto con otros
materiales y el comportamiento se podía explicar con la superconductividad
convencional.
El físico Pablo Jarillo Herrero, del Instituto de Tecnología
de Massachusetts, y su equipo no buscaban la superconductividad cuando
empezaron su experimento. Estaban explorando de qué forma podía afectar al
grafeno una orientación conocida como el ángulo mágico. Los teóricos predicen
que el desplazamiento de los átomos entre capas bidimensionales de materiales
en ese ángulo particular podría inducir a los electrones que se mueven por las
láminas a interaccionar de formas interesantes, aunque no sabían exactamente
cómo.
El equipo vio inmediatamente un comportamiento inesperado en
su montaje de dos capas. En primer lugar, las mediciones de la conductividad
del grafeno y la densidad de las partículas que transportan carga en su
interior indicaban que la construcción se había convertido en un aislante de
Mott: un material que tiene todos los ingredientes para conducir electrones
pero en el que las interacciones entre las partículas impiden a aquellos fluir.
A continuación, los investigadores aplicaron una pequeña corriente eléctrica
para introducir solo unos pocos portadores de carga adicionales en el sistema,
y se convirtió en superconductor. El hallazgo reapareció experimento tras
experimento, dice Jarillo Herrero. «Lo hemos producido todo en diferentes
dispositivos y medido con diferentes colaboradores. Estamos muy convencidos del
resultado», afirma.
La existencia de un estado aislante tan cerca de la
superconductividad es una señal distintiva de los superconductores no
convencionales, como los cupratos. Cuando los investigadores dibujaron los
diagramas de fase que representan la densidad de electrones del material en
función de su temperatura, vieron patrones muy parecidos a los de los cupratos.
Esto proporciona nuevos indicios de que estos materiales podrían compartir un
mecanismo superconductor, dice Jarillo.
Por último, aunque el grafeno exhibe superconductividad a
una temperatura muy baja, lo hace con solo una diezmilésima de la densidad de
electrones de los superconductores convencionales que adquieren esa condición a
la misma temperatura. Se cree que el fenómeno surge en los superconductores
convencionales cuando las vibraciones permiten a los electrones formar pares,
que estabilizan su trayectoria y les dejan fluir sin resistencia. Pero con tan
pocos electrones disponibles en el grafeno, el que de alguna forma puedan
emparejarse apunta a que la interacción que interviene es mucho más fuerte que
lo que ocurre en los superconductores convencionales.
Confusión con la conductividad
Los físicos no pueden discrepar más acerca de cómo podrían
interaccionar los electrones en los superconductores no convencionales. «Uno de
los cuellos de botella de la superconductividad de alta temperatura ha sido el
que no entendamos, ni siquiera ahora, qué pega en realidad los pares de
electrones», mantiene Robinson.
Pero será más fácil estudiar los dispositivos basados en el
grafeno que los basados en cupratos, lo cual convierte a aquellos en
plataformas útiles para explorar la superconductividad, dice Bascones. Por
ejemplo, para explorar las raíces de las superconductividad en los cupratos los
físicos necesitan a menudo someter los materiales a campos magnéticos extremos.
Y «sintonizarlos» para explorar sus diferentes comportamientos significa
cultivar y estudiar montones de muestras diferentes; con el grafeno se pueden
conseguir los mismos resultados solo con ajustar un campo eléctrico.
Kamran Behnia, físico del Instituto Superior de Física y
Química Industriales de París, no está todavía convencido de que el equipo del
MIT pueda proclamar definitivamente que ha visto el estado de aislante de Mott,
aunque, dice, los hallazgos apuntan a que el grafeno es un superconductor y
potencialmente uno inusual.
No se puede todavía afirmar con certeza que el mecanismo
superconductor sea el mismo en los dos materiales. Y Laughlin añade que no está
todavía claro que todo el comportamiento visto en los cupratos vaya a producirse
en el grafeno. «Pero hay bastantes de esos comportamientos presentes en los
nuevos experimentos como para festejarlo cautamente», dice.
Los físicos llevan «dando tumbos a oscuras durante treinta
años» intentando entender los cupratos, añade Laughlin. «Muchos creemos que se
acaba de encender una luz».
Aplicaciones de la
superconductividad al diagnóstico del cerebro humano
Hay decenas de ventajas de lo que supondría una superconductividad más barata para que nuevas
tecnologías, ahora muy caras, pudieran ser aplicadas para mejorar la vida de
millones de personas
Solo voy a explicar el caso del SQUID, una de esas
maravillas de la fusión entre mecánica cuántica y medicina que revoluciona los
diagnósticos médicos de enfermedades relacionadas con el cerebro
Hasta ahora, por su coste, solo se puede aplicar en muy
pocos casos: si la superconductividad
se abarata, será clave para toda la humanidad
Este artículo se basará en dos posts que publiqué en
Abril-Mayo de 2016
Mensajes amables de fin de semana: el SQUID, esa maravilla de tecnología que permite medir, con una precisión sin precedentes, los impulsos nerviosos que circulan por las dendritas
En el escrito de la
semana pasada, resaltábamos cómo el SQUID ( Dispositivo superconductor de
interferencia cuántica ) es capaz de detectar los minúsculos campos mágnéticos
generados por nuestro cerebro
Si una
corriente eléctrica circula a través de un conductor se
crea un campo magnético.
Esto supone que cuando
los impulsos nerviosos van por los axones neuronales o cuando los potenciales
postsinápticos —que
se crean en el “salto” del impulso nervioso entre dos neuronas—, circulan por las dendritas se producen
campos magnéticos que, obviamente, son muy pequeños.
La importancia del método se basa en que el campo
magnético no es “retenido” por la materia orgánica (lo que sí sucede con el
eléctrico) y puede salir fuera del cerebro a través del cráneo. Por
otro lado, la medida de un campo magnético se puede realizar sin contacto
alguno: se puede medir la actividad cerebral sin tocar ni conectar nada al
cerebro del sujeto
El resto de este escrito está dedicado a explicar las bases
de toda la maravilla de tecnología que hay alrededor del SQUID
Interferencia de
ondas producidas por dos fuentes sincrónicas
hay alrededor del SQUID
En la figura, vemos la amplitud debida a la interferencia de las ondas emitidas por dos fuentes sincrónicas separadas una distancia d, tal como se vería en una cubeta de ondas cuando nos situamos cerca de las fuentes.
En la figura, vemos la intensidad debida a la interferencia de las ondas producidas por dos fuentes sincrónicas separadas una distancia d, codificada en escala de grises. El color negro indica mínimo de intensidad y el color blanco máximo de intensidad.
Técnicas interferometría
Una de las técnicas de interferometría, tanto óptica como radial, consiste en la observación de la propia fuente estelar con dos telescopios (o bien con dos radiotelescopios) distantes entre sí de manera que haya un desfase en las señales que llegan. A partir de este desfase, a través de una elaboración electrónica de las señales recibidas, se puede llegar a la exacta posición y al diámetro angular de una estrella, o bien, en el caso de estrellas dobles, al valor de su separación angular.
Superconductores
La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.
La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.
Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos.
El fenómeno fue observado por primera vez en 1911 por el físico holandés H. Kamerlingh Onnes, y sus explicaciones teóricas tardaron más de cuarenta años en establecerse.
El hecho de que la teoría que explicaba este fenómeno se mostrara tan elusiva tiene su justificación en que ni la teoría clásica de materiales, construida por Drude y Lorentz, ni la posterior teoría cuántica que Bloch y Grüneisen desarrollaron en la década de los treinta podían dar cuenta del fenómeno de la desaparición de resistencia eléctrica.
Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas.
Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.
Superconductores de interferencia cuántica
Estos dispositivos constituyen los detectores de campos magnéticos más sensibles que hay. Sus aplicaciones van del diagnóstico de tumores cerebrales a la contrastación de la relatividad.
Una batería de detectores dispuesta en torno a la cabeza de un paciente con epilepsia focal capta mínimas fluctuaciones del campo magnético y señala con precisión dónde se halla la lesión a la que se debe el trastorno. Una barra de aluminio de cinco toneladas suspendida en una cámara de vacío a una temperatura próxima al cero absoluto espera la minúscula perturbación que indicaría la llegada de una onda de gravedad procedente de una supernova. Un solitario instrumento instalado en Baja California registra sutiles variaciones del campo magnético, para que los geofísicos localicen en el subsuelo una fuente potencial de energía geotérmica.
Mediciones tan dispares son posibles gracias al llamado SQUID, acrónimo —que coincide con la palabra que en inglés significa calamar— de superconducting quantum interference device, dispositivo superconductor de interferencia cuántica. El SQUID, que capta cambios del campo magnético, es el detector más sensible de que se dispone
El efecto Josephson
Una unión de Josephson real. La línea horizontal es el primer electrodo, mientras que la línea vertical es el segundo electrodo. El cuadrado que las separa es un aislante que tiene en el centro donde se encuentran los dos electrodos una pequeña apertura a través de la cual está la verdadera unión Josephson.
El efecto Josephson es el fenómeno de la supercorriente, se denomina así al paso de partículas cargadas en forma de corriente eléctrica ocasionada por el efecto túnel entre dos superconductores separados, estos a su vez están separados por una capa de un medio aislante o un metal no superconductor de unos pocos nanómetros.
La corriente eléctrica en los superconductores no la transportan electrones simples sino se transportan en pares llamados pares de Cooper los cuales son capaces de atravesar la capa por el efecto túnel
El efecto túnel
Me atrevería a decir que todos los estudiantes de física que se encuentran por primera vez con la mecánica cuántica y, ¡cómo no!, también cualquier mortal ajeno al tema al que se le explique la cuestión con un cierto detalle, quedan fascinados por el efecto túnel, ese resultado genuinamente cuántico, que no tiene parangón en mecánica clásica, y que indica que una partícula siempre tiene una cierta probabilidad de atravesar una barrera de potencial aunque su energía sea inferior a la altura de la barrera y siempre que ésta tenga un tamaño espacial finito. Es como si cualquiera de nosotros pudiéramos “atravesar” una pared con una cierta probabilidad si nos abalanzamos contra ella sin que se produzca daño alguno, ni en la pared ni en nosotros mismos: esto aclara, creo, el carácter cuántico exclusivo del fenómeno. Pero veámoslo con un poco más de detalle.
Cualquier cuerpo en movimiento tiene una propiedad asociada al mismo que se denomina energía cinética y que en mecánica clásica se define como 
, donde m es la masa del cuerpo y v la velocidad con la que se mueve. Como vemos es siempre una cantidad positiva o igual a cero (cuando el cuerpo está en reposo).
, donde m es la masa del cuerpo y v la velocidad con la que se mueve. Como vemos es siempre una cantidad positiva o igual a cero (cuando el cuerpo está en reposo).
Los cuerpos pueden tener asociado otro tipo de energía no ya debido a su estado de movimiento, sino a su posición. Este tipo de energía se denomina energía potencial, U, y puede definirse siempre que sobre el cuerpo actúen sólo fuerzas conservativas. Por ejemplo, si sostenemos en alto una bola, ésta tiene energía potencial gravitatoria, debido a que es atraída por la Tierra y si la soltamos caerá al suelo. Si tenemos un muelle fijado por un extremo a una pared y lo comprimimos, situando una pelota en el otro extremo, decimos que la pelota tiene energía potencial elástica. Si acercamos dos cuerpos cargados o dos imanes, uno frente a otro, ambos tienen energía potencial eléctrica o magnética, respectivamente. Las fuerzas puestas en juego en estos ejemplos (gravitatoria, elástica, eléctrica y magnética) son todas ellas conservativas. Sin embargo, otras fuerzas usuales como, por ejemplo, las fuerzas de rozamiento, la fuerza motriz de los motores o la fuerza muscular, son fuerzas no conservativas.
Pues bien, supongamos un cuerpo que se está moviendo en una sola dirección (que suponemos que es la dirección x) en una región del espacio de manera que su energía potencial tiene la forma que se muestra en la figura. Como vemos, según la posición en la que se encuentre el cuerpo, su energía potencial 
toma distintos valores, presentando máximos y mínimos.
toma distintos valores, presentando máximos y mínimos.
En física, la suma de la energía cinética y la energía potencial se denomina energía mecánica total o, simplemente, energía total. Existe un resultado fundamental que se conoce como teorema de conservación de la energía mecánica total que dice que si sobre un cuerpo sólo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica total del mismo se conserva. Es decir que en esas circunstancias, el cuerpo se moverá de manera que esa energía total no cambia independientemente de cuales sean su posición y su velocidad.
Supongamos, por ejemplo, que el cuerpo tiene una energía total igual a que, como vemos en la figura, es mayor que su energía potencial en cualquier punto x en que se pueda encontrar en su movimiento. La energía cinética de ese cuerpo variará según su posición y estará dada por . La velocidad del cuerpo será por tanto ![v=\sqrt{2[E_{1}-U(x)]/m}](file:///C:/Users/Alvaro/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.gif)
y como es mayor que 
, podemos calcular la raíz cuadrada y la velocidad tendrá un valor real y positivo (como debe ser). Con esa energía total, el cuerpo puede moverse “libremente” (por supuesto, de acuerdo a las leyes de la mecánica) a cualquier posición x.
que, como vemos en la figura, es mayor que su energía potencial en cualquier punto x en que se pueda encontrar en su movimiento. La energía cinética de ese cuerpo variará según su posición y estará dada por . La velocidad del cuerpo será por tanto y como es mayor que , podemos calcular la raíz cuadrada y la velocidad tendrá un valor real y positivo (como debe ser). Con esa energía total, el cuerpo puede moverse “libremente” (por supuesto, de acuerdo a las leyes de la mecánica) a cualquier posición x.
Si la energía total del cuerpo fuese 
, tendríamos una situación diferente. En efecto la partícula podría moverse (igual que en el caso anterior) a cualquier punto de la regiones que se encuentran a la izquierda de 
y a la derecha de 
. Como vemos en esas posiciones la energía total es mayor que la energía potencial y es posible obtener la velocidad como antes. Sin embargo, en los puntos situados entre y ocurre lo contrario: es mayor que , tendríamos que calcular la raíz cuadrada de una cantidad negativa y, por tanto, la velocidad no sería una cantidad real sino imaginaria y no podría representar una velocidad “válida” en mecánica clásica. Los puntos y se denominan puntos de retroceso clásico y cuando el cuerpo llega a ellos se encuentra una barrera de potencial que le impide proseguir su movimiento en ese sentido. El cuerpo encuentra una pared que le impide proseguir su camino. Una situación similar se presenta cuando el cuerpo tiene energías totales 
(en cuyo caso aparecen tres puntos de retroceso clásico) y 
(con un único punto de retroceso).
, tendríamos una situación diferente. En efecto la partícula podría moverse (igual que en el caso anterior) a cualquier punto de la regiones que se encuentran a la izquierda de y a la derecha de . Como vemos en esas posiciones la energía total es mayor que la energía potencial y es posible obtener la velocidad como antes. Sin embargo, en los puntos situados entre y ocurre lo contrario: es mayor que , tendríamos que calcular la raíz cuadrada de una cantidad negativa y, por tanto, la velocidad no sería una cantidad real sino imaginaria y no podría representar una velocidad “válida” en mecánica clásica. Los puntos y se denominan puntos de retroceso clásico y cuando el cuerpo llega a ellos se encuentra una barrera de potencial que le impide proseguir su movimiento en ese sentido. El cuerpo encuentra una pared que le impide proseguir su camino. Una situación similar se presenta cuando el cuerpo tiene energías totales (en cuyo caso aparecen tres puntos de retroceso clásico) y (con un único punto de retroceso).
En mecánica cuántica esto no es así. La dinámica de un cuerpo está regida por su función de onda, que es una función cuyo módulo al cuadrado nos informa sobre la probabilidad de que el cuerpo se encuentre en una determinada posición. En las regiones clásicamente permitidas, la función de onda describe (como en el caso de la mecánica clásica) el cuerpo en movimiento; sin embargo, cuánticamente siempre hay una probabilidad no nula de que el cuerpo se encuentre en un punto de una región clásicamente prohibida. La función de onda en esas regiones responde a una función exponencial decreciente y salvo que la región clásicamente prohibida sea infinita (como sucede en el ejemplo de la figura a la derecha de los puntos 
y 
de retroceso) la función de onda permite “conectar” las regiones permitidas a ambos lados de la zona prohibida: a todos los efectos es como si el cuerpo hubiera encontrado en su camino un túnel que le hubiera permitido atravesar (con una cierta probabilidad que es posible calcular y medir) la barrera de potencial.
y de retroceso) la función de onda permite “conectar” las regiones permitidas a ambos lados de la zona prohibida: a todos los efectos es como si el cuerpo hubiera encontrado en su camino un túnel que le hubiera permitido atravesar (con una cierta probabilidad que es posible calcular y medir) la barrera de potencial.
En la práctica el efecto túnel se pone de manifiesto en el caso de barreras de potencial de unos pocos nanómetros de anchura y en él están basados muchos dispositivos tecnológicos ampliamente usados hoy día. Entre otros podemos mencionar el microscopio de efecto túnel, los transistores, los diodos led, etc. Muchos fenómenos relacionados con la superconductividad y con la física de semiconductores como el efecto Josephson o la emisión fría de electrones, con la radiactividad y con algunos tipos de mutación espontánea observados en la molécula de ADN que tienen su origen en el efecto túnel cuántico.
Interferencia cuántica
Realizan un vídeo de interferencia cuántica en el que usan moléculas relativamente grandes.
Un experimento es una pregunta que se le hace a la Naturaleza. Dependiendo de lo habilidosos que seamos la respuesta puede ser más o menos interesante. Cuando nos vamos a la microescala en la que opera la Mecánica Cuántica (MC) el tipo de experimento que hagamos puede incluso cambiar completamente la respuesta que obtengamos.
Así por ejemplo, si queremos manifestar las propiedades ondulatorias de la luz un experimento de interferencia nos dice que la luz es efectivamente una onda. Si queremos manifestar su naturaleza corpuscular entonces un experimento fotoeléctrico nos dirá que efectivamente la luz se compone de partículas puntuales. La realidad es que la luz es la que es y somos nosotros los que la pretendemos encajar en un modelo mental nuestro, un modelo que no tiene por qué describir completamente la realidad física.
Esta dualidad también se presenta con partículas subatómicas. Así por ejemplo, podemos hacer interferir electrones entre sí y poner de manifiesto su naturaleza ondulatoria. Podemos lanzar un chorro de estas partículas hacia una doble rendija y ver como en la pantalla posterior se pone de manifiesto el típico patrón de interferencia.
Así por ejemplo, si queremos manifestar las propiedades ondulatorias de la luz un experimento de interferencia nos dice que la luz es efectivamente una onda. Si queremos manifestar su naturaleza corpuscular entonces un experimento fotoeléctrico nos dirá que efectivamente la luz se compone de partículas puntuales. La realidad es que la luz es la que es y somos nosotros los que la pretendemos encajar en un modelo mental nuestro, un modelo que no tiene por qué describir completamente la realidad física.
Esta dualidad también se presenta con partículas subatómicas. Así por ejemplo, podemos hacer interferir electrones entre sí y poner de manifiesto su naturaleza ondulatoria. Podemos lanzar un chorro de estas partículas hacia una doble rendija y ver como en la pantalla posterior se pone de manifiesto el típico patrón de interferencia.
Lo más sorprendente de este último experimento es que si de algún modo detectamos por dónde pasa el electrón, por qué rendija, entonces el patrón de interferencia desaparece y tenemos un comportamiento corpuscular. Al fijar un lugar por el que pasa o no el electrón estamos definiéndolo como un corpúsculo y de ahí que desaparezca su carácter ondulatorio.
Todo esto es aún más fascinante cuando en el haz de electrones de este experimento sólo hay un electrón de vez en cuando. Con eso impedimos que el electrón interfiera con otros electrones, pero aún así el efecto acumulado de varios electrones produce el patrón de interferencia. Digamos que la función de ondas del electrón “sabe” que hay dos rendijas y al explorarlas el electrón interfiere consigo mismo. De nuevo, si miramos por dónde pasa entonces desaparece la interferencia.
Este experimento de la doble rendija es muy famoso y viene en todos los artículos y libros de divulgación de MC.
Pero si no nos conformamos con electrones podemos seguir con partículas mayores y seguiremos obteniendo patrones de interferencia. Si usamos átomos completos y los lanzamos contra una doble rendija vemos que se comportan como ondas. También se ha hecho con buckybolas. Pero, ¿dónde está el límite? Los automóviles que van por la carretera no exhiben un comportamiento ondulatorio, no obedecen la MC, son objetos clásicos.
Todo esto es aún más fascinante cuando en el haz de electrones de este experimento sólo hay un electrón de vez en cuando. Con eso impedimos que el electrón interfiera con otros electrones, pero aún así el efecto acumulado de varios electrones produce el patrón de interferencia. Digamos que la función de ondas del electrón “sabe” que hay dos rendijas y al explorarlas el electrón interfiere consigo mismo. De nuevo, si miramos por dónde pasa entonces desaparece la interferencia.
Este experimento de la doble rendija es muy famoso y viene en todos los artículos y libros de divulgación de MC.
Pero si no nos conformamos con electrones podemos seguir con partículas mayores y seguiremos obteniendo patrones de interferencia. Si usamos átomos completos y los lanzamos contra una doble rendija vemos que se comportan como ondas. También se ha hecho con buckybolas. Pero, ¿dónde está el límite? Los automóviles que van por la carretera no exhiben un comportamiento ondulatorio, no obedecen la MC, son objetos clásicos.
En algún punto el micromundo deja de ser cuántico para ser clásico al crecer hasta el macromundo. Generalmente se asume que se produce una decoherencia que impide a objetos lo suficientemente grandes exhibir comportamientos cuánticos.
¿A qué escala el mundo cuántico pasa a ser clásico? ¿Depende de nuestra habilidad o es intrínseco?
Pues bien, se ha llegado a realizar el experimento de la doble rendija con moléculas que constan de 400 átomos. Quizás algún día se pueda hacer con virus, no lo sabemos.
Ahora un grupo internacional de físicos ha realizado un vídeo en tiempo real en el que se ve el patrón de interferencia en un experimento de doble rendija cuando se usan moléculas orgánicas de 58 y 114 átomos (C32H18N8 y C48H26F24N8O8respectivamente). Las moléculas se producen por micro evaporación gracias a un láser, proceso que evita la destrucción de las moléculas y genera un intenso haz coherente de moléculas.
Además crearon una red de difracción (un equivalente de la doble rendija, peor con varias rendijas en lugar de sólo dos) de nitruro de silicio con una separación de 10 nm entre rendijas.
¿A qué escala el mundo cuántico pasa a ser clásico? ¿Depende de nuestra habilidad o es intrínseco?
Pues bien, se ha llegado a realizar el experimento de la doble rendija con moléculas que constan de 400 átomos. Quizás algún día se pueda hacer con virus, no lo sabemos.
Ahora un grupo internacional de físicos ha realizado un vídeo en tiempo real en el que se ve el patrón de interferencia en un experimento de doble rendija cuando se usan moléculas orgánicas de 58 y 114 átomos (C32H18N8 y C48H26F24N8O8respectivamente). Las moléculas se producen por micro evaporación gracias a un láser, proceso que evita la destrucción de las moléculas y genera un intenso haz coherente de moléculas.
Además crearon una red de difracción (un equivalente de la doble rendija, peor con varias rendijas en lugar de sólo dos) de nitruro de silicio con una separación de 10 nm entre rendijas.
El Magnetómetro SQUID : Dispositivo superconductor de interferencia cuántica
El magnetómetro SQUID, aparato Superconductor de Interferencia Cuántica, es un equipo que fue inventado al inicio de los años setenta por J.E. Zimmerman y colaboradores, el cual consiste en algo que se conoce como efecto Josephson. Esto se compone de una delgada barrera aislante entre dos superconductores (dos metales enfriados en helio líquido, para mantener el estado de superconducción), en la cual corre una supercorriente formada por pares de electrones, este mecanismo se utiliza también en aparatos electrónicos y computadoras ultrarrápidas.
El SQUID y los conjuntos de SQUID ahora se utilizan en los laboratorios de investigación médica en todo el mundo, para trazar el mapa de los campos biomagnéticos producidos por los procesos fisiológicos dentro del cuerpo humano. Es decir es capaz de medir la energía sutil alrededor del cuerpo humano, se trata del mismo campo de energía que personas sensitivas han descrito desde hace milenios que los científicos han ignorado porque no había medios para medirlo objetivamente.
Desde hace tiempo se sabe que las células y los tejidos generan un campo eléctrico que se puede medir en la superficie de la piel. Pero, las leyes de la física afirman que cualquier corriente eléctrica genera un campo magnético correspondiente en el espacio. Dado el hecho que estos campos magnéticos son demasiado pequeños para ser detectados, los científicos asumieron que dichos campos no podían tener una importancia fisiológica.
Esta situación empezó a cambiar en 1963, Cuando Gerhard y Richard McFee, del Departamento de Energía Eléctrica de la Universidad de Siracusa Nueva York, detectaron el campo biomagnético proyectado por el corazón humano utilizando dos electroimanes de 2 millones de vueltas de hilo cada uno, conectados a un amplificador muy sensitivo.
Desde hace tiempo se sabe que las células y los tejidos generan un campo eléctrico que se puede medir en la superficie de la piel. Pero, las leyes de la física afirman que cualquier corriente eléctrica genera un campo magnético correspondiente en el espacio. Dado el hecho que estos campos magnéticos son demasiado pequeños para ser detectados, los científicos asumieron que dichos campos no podían tener una importancia fisiológica.
Esta situación empezó a cambiar en 1963, Cuando Gerhard y Richard McFee, del Departamento de Energía Eléctrica de la Universidad de Siracusa Nueva York, detectaron el campo biomagnético proyectado por el corazón humano utilizando dos electroimanes de 2 millones de vueltas de hilo cada uno, conectados a un amplificador muy sensitivo.
En 1970 David Cohen del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts) en Cambridge, Massachusetts, utilizando el SQUID confirmó los resultados concernientes al corazón, que de hecho describieron el campo magnético del corazón con tanta claridad y sensibilidad como nunca antes se había hecho. Su obra estableció las bases para todo un nuevo campo del diagnóstico la Magnetocardiografía.
Para 1972 Cohen pudo extender sus mediciones del SQUID a los campos producidos por el cerebro, esto por medio de mejorar la sensibilidad del SQUID, ya que se encontró que los campos emitidos por el cerebro son cientos de veces más débiles que los del corazón. El resultado fue el primer registro que se hizo del campo biomagnético del cerebro. Esto también da paso a que se inicie lo que ahora se conoce como Magnetoencefalograma, el cual tiene la ventaja que ofrece más detalles del cerebro que el electroencefalograma y sufre menos distorsión al pasar por los tejidos.
Posteriormente se descubrió que todos los tejidos y órganos producen pulsaciones magnéticas específicas, que son ahora conocidos con el nombre de campos biomagnéticos. Los exámenes tradicionales con el electrocardiograma y electroencefalograma se complementan ahora por el magnetocardiograma y el magnetoencefalograma. Por distintas razones el estudio del campo magnético alrededor del cuerpo, da indicaciones más exactas sobre la fisiología y la patología que el estudio del campo eléctrico.
La magnetoencefalografía
La actividad coordinada de las neuronas también produce campos magnéticosademás de las corrientes eléctricas que medía la EEG. La intensidad de estos campos es tremendamente pequeña pero puede ser medida por una técnica denominadamagnetoencefalografía o MEG.
La EEG y la MEG son técnicas conceptualmente similares pero la MEG ofrece una calidad de señal superior y una resolución temporal muy alta.
Sin embargo, sus costes son mucho mayores por lo tanto no es una técnica tan popular en neuromarketing. Un equipo de magnetoencefalografía, que requiere una sala aislada de campos magnéticos para poder medir los débiles campos magnéticos del cerebro, puede costar alrededor de 2 milones de dólares.
La magnetoencefalografía ofrece nuevas posibilidades de diagnóstico en alzhéimer
La magnetoencefalografía es una técnica de neuroimagen que mide la actividad cerebral a través de la detección de los campos magnéticos del cerebro y su aplicación para el estudio del alzhéimer. En España sólo hay tres equipos, ubicados en Madrid, Barcelona y San Sebastián, y no existen más de 200 en todo el mundo, ya que están valorados en unos dos millones de euros cada uno. El Centro de Tecnología Biomédica de la Universidad Politécnica de Madrid cuenta con uno de ellos y Fernando Maestú Unturbe es uno de los expertos que lo maneja. Este especialista ha visitado hoy el Instituto de Neurociencias de Castilla y León (Incyl) con el objetivo de intentar establecer colaboraciones con los científicos de Salamanca y avanzar así en el diagnóstico de las enfermedades neurodegenerativas.
" Cualquier corriente eléctrica emite un campo electromagnético", señala el investigador en declaraciones recogidas por DiCYT. Por eso, "como las células de nuestro cerebro se comunican a través de sinapsis electroquímicas, emiten un campo magnético que puede ser observado desde el exterior". De esta manera, "vemos cómo están funcionando las neuronas, si lo hacen de manera coordinada o descoordinada, y podemos ver los patrones de algunas enfermedades neurológicas y así tenemos un mayor poder diagnóstico", agrega.
La técnica apenas tiene unos 15 años, lo que la convierte en "la más joven de las técnicas de neuroimagen", capaz de medir en tres dimensiones de la actividad cerebral: el espacio, el tiempo ("se incrementa la resolución temporal" con respecto a otras técnicas, apunta) y la frecuencia a la que disparan las células. En el diagnóstico de alzhéimer tan sólo se emplea desde hace 7 años, de manera que "estamos en un periodo de investigación", pero su aplicación en esta enfermedad es prometedora "porque da información sobre funcionalidad del cerebro y las relaciones entre distintas zonas".
En cualquier caso, el hecho de que se trata de una técnica tan novedosa hace que realizar diagnósticos a través de ella aún requiera de investigaciones. Someter a una persona sana a un examen con este sistema permite construir patrones de control para compararlos con los pacientes que tienen una enfermedad y comprobar así los patrones que caracterizan cada patología.
Técnica no invasiva
Una de las ventajas que ofrece la magnetoencefalografía es que se trata de una técnica no invasiva para quien se somete a ella. "El paciente introduce su cabeza dentro de un sensor que recoge lo que de forma natural emite nuestro cerebro", señala Fernando Maestú. De hecho, desde los 7 meses de gestación el cerebro ya emite estas señales y hay una técnica que es la magnetoencelefalografía fetal que mide el campo magnético del cerebro del feto.
Lo que los profesionales ven a través de esta técnica son oscilaciones del campo magnético que son el reflejo de los flujos de corriente eléctrica que hay en el cerebro. Aunque se trata de algo muy útil para ver las alteraciones cerebrales patológicas, también sirve para estudiar procesos normales de envejecimiento, según los expertos.
"En el envejecimiento normal se alteran los patrones de actividad cerebral, así que vemos relaciones entre zonas del cerebro que se alteran o se reorganizan con la edad", apunta. Se trata de una falta de conectividad adecuada. "Nuestro cerebro tiene muchas zonas relacionadas entre sí, esta estructura se va perdiendo a lo largo del paso de los años y este tipo de conectividad se pierde, el cerebro se va reorganizando progresivamente a medida que pierde células, pero lo hace de manera más ineficiente que un cerebro más joven", explica.
La magnetoencefalografía como técnica para el estudio del encéfalo
El biomagnetismo lo forman los campos magnéticos generados por los sistemas biológicos, que tienen los mismos principios de análisis que los producidos por una corriente eléctrica que circula por un conductor lineal.
Si una corriente eléctrica circula a través de un conductor se crea un campo magnético. Esto supone que cuando los impulsos nerviosos van por los axones neuronales o cuando los potenciales postsinápticos —que se crean en el “salto” del impulso nervioso entre dos neuronas—, circulan por las dendritas se producen campos magnéticos que, obviamente, son muy pequeños.
No obstante existen unos aparatos denominados “dispositivos superconductores de interferencias cuánticas” o SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) capaces de percibir un campo magnético de muy baja potencia.
No obstante existen unos aparatos denominados “dispositivos superconductores de interferencias cuánticas” o SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) capaces de percibir un campo magnético de muy baja potencia.
La importancia del método se basa en que el campo magnético no es “retenido” por la materia orgánica (lo que sí sucede con el eléctrico) y puede salir fuera del cerebro a través del cráneo. Por otro lado, la medida de un campo magnético se puede realizar sin contacto alguno: se puede medir la actividad cerebral sin tocar ni conectar nada al cerebro del sujeto.
En 1963, Baule y McFee registraron por primera vez la actividad eléctrica del corazón mediante la detección de los campos magnéticos. Cinco años después, Cohen, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, fue capaz de detectar las pequeñas señales debidas al funcionamiento del encéfalo y, finalmente, en 1969, Zimmerman diseñó una habitación, aislada de los campos ambientales, para registrar la actividad cardíaca utilizando superconductores.
La magnetoencefalografía se realiza con unos aparatos que se denominan neuromagnetómetros, que disponen de varios SQUID(entre 100 y 150) dispuestos en forma de casco de manera que puedan acercarse simultáneamente al cráneo del sujeto. Su emisión es analizada por un ordenador que determina el origen encefálico de las señales. En el ordenador aparece la imagen del encéfalo, obtenida mediante Resonancia Magnética, y sobre ella se observan las regiones encefálicas que poseen una gran actividad eléctrica.
De esta manera, con magnetoencefalografía se podría detectar una zona concreta del cerebro con una actividad eléctrica determinada, superior a la normal o mayor que la percibida en otras zonas colindantes. Así, si esto es consecuencia de una anomalía patológica, se podría proceder a la eliminación de la parte afectada. Pero, asimismo, se lograrían realizar estudios fisiológicos para cuantificar la actividad cerebral regional cuando se perciben ciertos estímulos o cuando se realizan unas determinadas conductas.
Si desea ver un breve vídeo sobre el asunto:
Mensajes amables de fin de semana:La última tecnología en electrónica médica, el Magnetoencefalograma, y el Mindfulness
https://historiasdellean.blogspot.com.es/2016/04/mensajes-amables-de-fin-de-semanala.html
Voy a aprovechar este escrito para tratar de hacer un maridaje entre el último grito en electrónica médica ( el Magnetoencefalograma ) y la actividad del cerebro cuando hacemos una sesión de Mindfulness
El aparato es de una precisión abrumadora, sólo hay otro parecido en Guipúzcoa. Mide campos casi inapreciables (10 a la menos 12 teslas), de ahí que esté encerrado en una especie de cámara acorazada que lo aísla de las ondas del exterior
Aunque parece claro del párrafo anterior, conviene aclarar que la forma en que trabaja esta tecnología no tiene nada que ver con la típica de la Resonancia
El punto de partida es un reportaje que apareció el fin de semana pasado en las páginas centrales de un periódico de tirada nacional
¿Funciona el 'mindfulness'? La meditación vista desde el laboratorio
'Mindfulness' es una palabra mágica. Si la buscan en Google obtendrán nada menos que 39.600.000 resultados. Este término nacido en Boston se traduce como "atención plena" y da título a un método creado para acabar con el estrés a través de la meditación. Todo ello sin tintes religiosos, a pesar de beber de la sabiduría y práctica budista. Así lo diseñó su fundador, el profesor de Medicina Jon Kabat-Zin, y así se imparte en todo el mundo.
La magia del 'mindfulness' y su penetración en el mercado del bienestar ha hecho que ahora se use para casi todo: centrarse en el presente, identificarse menos con los pensamientos, ser más feliz, acabar con la falta de deseo sexual, rendir más en el trabajo, mejorar la sociabilidad, darle un portazo a la ansiedad... Parece un chollo, pero ¿funciona realmente?
Los periodistas respondemos a este tipo de preguntas siguiendo un protocolo aprendido desde la universidad y apuntalado a base de horas de redacción: consulta y cita algún estudio realizado en una universidad americana -esa jungla que lo somete todo al microscopio- o, si estás de suerte, menciona un trabajo reciente sobre la materia publicado en una revista científica de referencia ('The Lancet, Science o The British Medical Journal'). A partir de ahí, lo demás es fácil: buscar testigos, poner comillas y teclear.
ZEN ha querido darle una vuelta a esa tortilla poniendo a prueba esta meditación. Primero, aprendí la ciencia de la atención plena en un centro acreditado. De la mano de Nirakara Mindfulness Institute volví a verme dentro de un aula de la Universidad Complutense, a pocos metros de la facultad de Políticas donde se originó el embrión de Podemos a través de Pablo Iglesias, Íñigo Errejón y Juan Carlos Monedero. Pero no nos desviemos del asunto.
LA MENTE DEL PERIODISTA EN FASE DE DESCANSO. El arranque del experimento es la medición en fase basal. El cerebro aún registra mucha actividad. La más activa, en rojo, es el área asociada a la percepción que se tiene de uno mismo, la memoria y el procesamiento visual. Se nota que divagaba sobre sí mismo.
APAGADO PAULATINO EN PLENA MEDITACIÓN. Las fases dos y tres del ejercicio muestran que la masa gris comienza a tomárselo con más calma. La respiración profunda logra serenar la mente, salvo las áreas que se asocian a las visualizaciones (clásicas durante el mindfulness) y las que controlan la propia meditación.
MENTE APACIGUADA TRAS PRACTICAR EL 'MINDFULNESS'. La última imagen cerebral registra un acallamiento casi al completo. Sólo quedan activos los lugares que controlan la buena ejecución de la meditación a través de la autoobservación y los que mantienen la planificación -el dichoso futuro, que nos persigue-.
Más información en el enlace:
Algo acerca de la Magnetoencefalografía (MEG)
La Magnetoencefalografía (MEG) es una técnica que recoge actividad funcional neuronal de manera no invasiva. Se basa en la detección de los campos magnéticos generados por la actividad eléctrica cerebral. En combinación con la información estructural de la Resonancia Magnética Craneal o MRI (del inglés, Magnetic Resonance Imaging), proporciona un estudio cartográfico detallado de función cerebral de manera inocua para el paciente.
Se trata de una nueva tecnología de neuroimagen funcional cuya repercusión en la práctica clínica radica en la cumplimentación de los siguientes características:
- Define la actividad cerebral en un intervalo de tiempo de milisegundos
- Permite valorar la continuidad de secuencias temporales
- Ubiqua cada una de estas activaciones en el espacio con precisión
- Pueda repetirse sin que suponga un riesgo para la salud del paciente
- Es sensible a cambios sutiles de la actividad cerebral
- Supone un tiempo de exploracion del paciente (incluyendo la preparación al estudio) reducido
La MEG es una técnica de imagen funcional no invasiva. Recoge los pequeños campos magnéticos asociados a la actividad eléctrica cerebral espontánea o evocada desde la superficie craneal, permitiendo calcular la localización de los generadores neuronales responsables de la actividad registrada y así monitorizar cambios en la actividad cerebral. La fusión de esta información funcional sobre las imágenes estructurales de Resonancia Magnética Craneal permite proporcionar una imagen funcional del cerebro.
El elemento diferencial de la MEG es que aporta una medida directa de la actividad electromagnética neuronal, combinando una resolución temporal de milisegundos (en tiempo real) con una resolución espacial de milímetros. La MEG es la única tecnología que supera las limitaciones de otras pruebas de diagnóctico funcional, todo ello desde la máxima inocuidad, ya que no es necesario siquiera la aplicación de electrodos, ni inyección de marcadores en el paciente. Así, las técnicas electromagnéticas como el EEG, presentan limitación en la localización de fuentes generadoras de actividad eléctrica; las técnicas hemodinámicas (PET, SPECT, fMRI) presentan una resolución temporal del orden de 1-5 segundos y una resolución espacial que depende de factores metabólicos y estructurales.
Esto significa que, en la evaluación de determinadas patologías cerebrales, los métodos de diagnóstico convencionales podrían aportar un diagnóstico incompleto o equivocado que redunda en tratamientos farmacológicos y/o quirúrgicos insatisfactorios que obligan a reintervención y realización de un sinfin de pruebas complementarias.
¿Qué es un magnetómetro?
un magnetometro es un dispositivo que sirve para cuantificar la señal magnética de una muestra. Los hay muy sencillos, como la balanza de Gouy o la balanza de Evans, que miden el cambio en peso aparente que se produce en una muestra al aplicar un campo magnético, y también muy sofisticado, como los dotados de SQUID, que son los más sensibles actualmente.
SQUIDS
El SQUID se usa para medir campos magnéticos extremadamente pequeños; actualmente son los magnetómetros más sensibles conocidos, con niveles de ruido de un mínimo de 3 fT/sqrt(Hz). La magnetoencefalografía (MEG), usa medidas de una batería de SQUIDs para inferir la actividad neuronal en el cerebro. Como los SQUIDs pueden trabajar a mucha mayor velocidad que la tasa de actividad cerebral más rápida de interés, se puede obtener buena resolución temporal por MEG.
El SQUID se usa para medir campos magnéticos extremadamente pequeños; actualmente son los magnetómetros más sensibles conocidos, con niveles de ruido de un mínimo de 3 fT/sqrt(Hz). La magnetoencefalografía (MEG), usa medidas de una batería de SQUIDs para inferir la actividad neuronal en el cerebro. Como los SQUIDs pueden trabajar a mucha mayor velocidad que la tasa de actividad cerebral más rápida de interés, se puede obtener buena resolución temporal por MEG.
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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