Retos da Física

2022/03/01 Errea Lope, Ion - Fisikako doktoreaEHUko iraskalea, CFM eta DIPC zentroetako ikertzaile eta Jakiundeko kidea | García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Nanoteknologia
• Materialak

400

A Física abriunos mundos inéditos e suxestivos, imperceptibles polos nosos sentidos. Da man da física, desde a investigación do universo até a nanotecnoloxía, viñeron moitos avances en ciencia e tecnoloxía nas últimas décadas. Pero cales son os principais retos da física neste século?

Serán, sen dúbida, moi variadas. Conscientes de que é a materia escura e a enerxía escura, de que a fusión nuclear é a obtención de enerxía ilimitada, de que a nanotecnoloxía pode desenvolver o que o medicamento e a ciencia dos materiais, de que son ordenadores cuánticos… Conscientes de que haberá tanta opinión como a física, convidamos a reflexionar aos físicos de dous ámbitos:

 

“A revolución do século pasado redondearase neste século”

Ion Errea Lope

Físico. Investigador UPV, CFM e DIPC

O gran físico Lord Kelvin afirmou en 1900 que non había nada que descubrir na física. Só quedaba facer medicións aínda máis precisas, convencidos de que iso non ía traer nada novo.

XX. Pero o século XX supuxo a revolución da física. A física cuántica e a teoría da relatividad revolucionaron todos as paradigmas até entón. O primeiro ensinounos como é o mundo máis pequeno, o dos átomos e o das partículas. O segundo ampliou una nova dimensión do universo. XX. O século XX pertenceu á física, xa que estas novas teorías supuxeron una gran revolución tecnolóxica que se reflicte na dixitalización e o medicamento actuais.

Contacto cos extremos

Este século non será o da física, pero a influencia dese enorme desenvolvemento conceptual que a física tivo no século pasado aínda non se materializou. Hai moito que desenvolver. Quizais ese sexa o maior reto actual da física: seguir desenvolvendo até a punta esta nova física moderna do século pasado e levar as aplicacións até o extremo. E isto, por suposto, vai ter una gran influencia nas revolucións que se van a levar a cabo noutras disciplinas, é dicir, nas neurociencias e na bioloxía que están á pila. De feito, tal e como a resonancia magnética actual no diagnóstico médico non pode ser entendida sen física cuántica, as novas técnicas que se utilizarán paira estudar a neurona co comportamento neuronal desenvolveranse tamén desde a comprensión átomo a átomo da interacción entre neuronas, proteínas e campos electromagnéticos.

No século pasado desenvolvéronse as teorías das partículas elementais que compoñen a materia. En 2012, o chamado modelo estándar redondeouse co descubrimento experimental do bosón Higgs. Máis aló das partículas que describe este modelo, os físicos están convencidos de que deben existir novas partículas máis pesadas que non poidan xerar nos aceleradores actuais. Estas partículas poderían ser responsables da materia escura do universo. O acelerador LHC, utilizado paira localizar o bosón Higgs, permaneceu parado nos últimos anos, pero este ano volverá funcionar tras importantes melloras. Serán suficientes estas innovacións paira observar novas partículas? Hai esperanza. Se observamos novas partículas ou fenómenos, é posible que se aclare a confusión que existe actualmente na teoría, xa que son moitas as propostas que superan o modelo estándar de partículas elementais, e por suposto, non todas poden ser correctas.

•

Uno dos maiores imprevistos da física de materiais foi atopar superconductividad en 1911. Ninguén esperaba que un metal perdese toda a súa resistencia eléctrica por baixo dunha temperatura. Desde entón, una das principais preguntas é si é posible a superconductividad en condicións de erosión. Os experimentos realizados nos últimos anos demostraron que a superconductividad a alta presión é posible en compostos ricos en hidróxeno. O principal reto dos próximos anos será determinar si existe na presión un composto con hidróxeno tan superconductor a tan alta temperatura. Paira responder a esta pregunta será necesaria a axuda dos cálculos teóricos, que permiten por unha banda predicir a que temperatura convértese un material en superconductor e, por outro, determinar se os posibles novos materiais son estables.

Física XX. Aínda que penso que seguirá facendo a revolución do século XX, non quixese repetir o erro de lord Kelvin. Poderían vir sorpresas que poderían cambiar a dirección de estudo da física.

 

"O reto é desenvolver recursos paira construír e controlar sistemas cuánticos"

Maia García Vergniory

Físico. Investigador DIPC

O maior reto da física non ten por que vir da resolución dun problema concreto. Creo que o principal reto da física é explotar os coñecementos adquiridos e as novas portas que nos abren as novas ferramentas. Por exemplo, a porta que abriu o mundo cuántico.

Dise que a tecnoloxía do futuro basearase nas tecnoloxías cuánticas, pero que son as tecnoloxías cuánticas? En realidade, desde que en 1947 os laboratorios Bell deseñaron o primeiro transistor de silicio estamos a utilizar a tecnoloxía cuántica. Desde entón, en esencia, toda a nosa tecnoloxía baséase nos principios da física cuántica.

Fundamentos de tecnoloxías cuánticas

Con todo, os transistores utilizados até o momento só utilizan dúas propiedades do mundo cuántico mencionado: a dualidade onda -partícula e a estatística cuántica. A dualidade onda - partícula indícanos que una partícula pode ter un dobre comportamento, é dicir, como onda e como partícula. A estatística cuántica fai referencia á estatística de electróns no caso do transistor.

Doutra banda, existen dous tipos de física cuántica: os bosones e os fermiones. O bosón (por exemplo, os fotóns son bosones) réxese pola estatística coñecida como Bose-Einstein, é dicir, a unha temperatura de 0 absolutos todos adoptan o mesmo estado cuántico, coa mesma enerxía. Pero cos fermiones (os electróns, por exemplo, son fermiones) non ocorre o mesmo, xa que non poden estar dous fermiones nas mesmas condicións, teñen prohibida a ocupación da mesma situación, polo que aínda que estea no 0 absoluto, cada fermión terá o seu propio nivel de enerxía.

Esta calidade permite que os electróns, as partículas que levan corrente eléctrica, adquiran diferentes situacións de enerxía cando orbitan ao redor dos átomos. A construción do transistor convencional baseouse na manipulación dos niveis dos electróns máis enerxéticos. Entón, en que se basean as novas tecnoloxías cuánticas?

Novas tecnoloxías cuánticas

As novas tecnoloxías baséanse no desbordamento cuántico e no nó cuántico. Estes fenómenos son consecuencia da dualidade onda -partícula. Do mesmo xeito que as ondas producen interferencias, os estados cuánticos tamén teñen interferencias, polo que un electrón pode estar nun ou outro estado ou na superposición entre ambos os estados. Definimos o bit cuántico (quantum-bit - Qbit, en inglés, bit cuántico) como un sistema de dous niveis no que os electróns poden estar nun ou outro estado ou en ambos simultaneamente. Esta sería a unidade de información dun computador cuántico.

Por outra banda, os Qbit conéctanse entre si mediante o fenómeno denominado "traba cuántica". Cando dous ou máis obxectos están entrelazados entre si, no estado do sistema téñense en conta todos os obxectos, e podemos describir todo o sistema mediante unha única situación, mesmo cando os obxectos están separados ou afastados no espazo. Pódese comprobar que os N qbits conteñen información de 2N, polo que son moito máis rápidos que os computadores clásicos.

Utilizando todo o seu potencial, os computadores cuánticos poderían, entre outros, profundar nas propiedades de moléculas complexas que conteñen millóns de átomos, simular as propiedades das partículas elementais, analizar o comportamento cuántico dun buraco negro ou a evolución do universo.

Con todo, as novas propiedades mencionadas coñecíanse desde hai tempo; Einstein, Podolsky e Rosen xa en 1935, na formulación do chamado paradoxo EPR, anunciaron o enredo cuántico. Por que tardamos tanto tempo en desenvolver esta tecnoloxía?

O problema consiste en que non podemos observar, manipular ou medir o mundo cuántico sen perturbar o sistema. Se queremos que un sistema cuántico procese información, debemos mantelo illado do exterior, o que non é tecnicamente fácil. No laboratorio déronse pasos, pero queda moito traballo. Por tanto, o noso reto de futuro é o desenvolvemento de recursos científicos e tecnolóxicos paira a construción e control de complexos sistemas cuánticos, capaces de utilizar novas tecnoloxías cuánticas.