Una cuenta de vidrio flotante podría ayudar a los físicos a sondear lo desconocido

Una cuenta de vidrio flotante podría ayudar a los físicos a sondear lo desconocido https://media.wired.com/photos/5c3cf8a4a9851f2c308044e9/191:100/pass/Featured%20Art%20-%20Scientists%20Deploy%20A%20Trembling%20Glass%20Bead%20To%20Sense%20The%20Mysteries%20Of%20The%20Universe.jpg

Una cuenta de vidrio flotante podría ayudar a los físicos a sondear lo desconocido





Francesco Ricci se encuentra en una mesa cubierta con una maraña de cables y pequeños espejos. "Aquí es donde todo sucede", dice, señalando un cilindro de metal aproximadamente del tamaño de una lata de galletas. Un estudiante graduado en el Instituto de Ciencias Fotónicas en Barcelona, ​​Ricci me está mostrando un dispositivo que está construido para estudiar una tierra extranjera: el nanoscape.
Amplíe el paisaje nano y verá átomos que se unen para formar moléculas y proteínas que se unen a las superficies de las bacterias. Pero es difícil Estudia estos personajes liliputienses. claramente. "No se pueden usar dispositivos cotidianos como una escala para la medición", dice Ricci. Gesticula con dedos macroscópicos de salchicha, cada uno capaz de golpear los pequeños espejos de la mesa completamente desalineados. “Necesitas herramientas más precisas”. Con ese fin, los científicos han desarrollado máquinas lo suficientemente suaves como para tirar de hebras de ADN y para agarrar los átomos individuales.
Ricci usa un láser infrarrojo para levitar una pequeña nanopartícula, que puede usarse como un sensor de fuerza.
Francesco Ricci
El equipo de Ricci ha agregó otra herramienta a su kit. Dentro de la lata de galletas hay un sensor que puede registrar pesas 100 millones de veces más livianas que una sola. E. coli bacteria. Con una sensibilidad tan alta, los físicos creen que estos dispositivos podrían captar pequeñas señales que apuntan hacia lo desconocido: un nuevo tipo de onda gravitacional, tal vez, o incluso partículas de materia oscura.
El corazón del instrumento es una perla de vidrio levitante del tamaño de un virus, que se mantiene suspendida por un láser infrarrojo que lo lanza con una formación controlada de fotones. Debido a que la cuenta flota en un vacío, no experimenta fricción, lo que significa que los toques más suaves pueden dejarla fuera de lugar. Los químicos podrían pesar una sola molécula, por ejemplo, uniéndola a la cuenta, empujándola con una fuerza cuidadosamente controlada y observando el ritmo de su swing. Entonces podrían calcular su masa a partir del ritmo: las moléculas más ligeras giran más rápido.
El sello distintivo del instrumento de Ricci es su precisión. Otros científicos han desarrollado instrumentos igualmente sensibles, que pueden detectar fluctuaciones de peso tan pequeñas como un solo protón. Pero sus lecturas eran mucho menos confiables, dice el físico Andrew Geraci, de la Northwestern University. Algunos sensores mencionaron pesos que se habían reducido en un 30 por ciento o más, lo que equivale a un error de la báscula de baño de aproximadamente 50 libras.
Por el contrario, el sensor de Ricci puede lograr aproximadamente el 1% de precisión, equivalente a una báscula de baño de alrededor de 1.5 libras. Un objetivo para estos sensores precisos es crear imágenes de alta resolución de proteínas individuales y otras moléculas, dice el físico Adrian Bachtold, un colega de Ricci que no está involucrado en este trabajo. Bachtold está desarrollando sensores similares hechos de nanotubos de carbono. Por ejemplo, podría colocar una sola molécula en un campo magnético, que gire los átomos constituyentes de la molécula. Debido a que distintos elementos giran a diferentes velocidades, un sensor de fuerza cercano podría detectar la velocidad de rotación de los átomos para identificarlos.
El sensor de Ricci también podría adaptarse para estudiar algunos de los enigmas más desconcertantes de la física, dice Geraci. Por ejemplo, los físicos han luchado durante décadas para explicar por qué las leyes de la gravedad, que explican con precisión cómo se mueven las estrellas en una escala galáctica, son incompatibles con las reglas microscópicas de la mecánica cuántica. Para llegar a esa pregunta, el equipo de Geraci está realizando un experimento que levita una cuenta de cristal a nanoescala extremadamente cerca de un pequeño espejo dorado. Están tratando de medir la pequeña atracción gravitatoria entre los dos objetos. Si se hacen con la suficiente precisión, podrían descartar ideas propuestas sobre la naturaleza cuántica de la gravedad. La técnica de calibración de Ricci podría ayudarles a lograr esta precisión.
Además, Geraci está construyendo un instrumento. utilizando nano-perlas levitadas para buscar ondas gravitacionales de alta frecuencia: ondulaciones estrechas en el espacio-tiempo que los laboratorios existentes como LIGO no fueron diseñados para detectar. Cuando una onda de este tipo se desplaza sobre la cuenta de vidrio, debe alterar la forma del rayo láser manteniendo la cuenta en suspensión. La cuenta se movería, y el sensor podría detectar ese movimiento. Los teóricos predicen que estas ondas gravitacionales deberían ser raras, pero nadie las ha buscado realmente, dice el astrofísico Nergis Mavalvala, del Instituto de Tecnología de Massachusetts.
El costo de este detector es muy barato, relativamente hablando. El equipo de Geraci ha determinado que la máquina solo tendría que medir unos 3 pies de largo y podría sentarse sobre una mesa. Compara eso con LIGO, cuyos dos instrumentos en forma de L consisten en brazos que se extienden dos millas y media y que han costado acumulativamente más de mil millones de dólares para construir. "Para detectar ondas gravitacionales de alta frecuencia, puedes salirte con la construcción de algo que es técnicamente más fácil y más barato", dice Mavalvala.
Si se detectan, estas ondas gravitacionales más estrechas podrían ayudar a la búsqueda de materia oscura, una sustancia hipotética que los físicos creen que debería representar el 85 por ciento de la masa del universo. Geraci y Asimina Arvanitaki, una física en el Perimeter Institute, han determinado que una hipotética partícula de materia oscura llamado un axion interactuando con una calabozo Debe producir estas ondas.
Los científicos son tan agudos como sus herramientas. En el paisaje nano, "es extremadamente difícil entender lo que estás midiendo", dice Bachtold. Un sensor cuidadosamente calibrado como el de Ricci ayuda a los físicos con la meta pregunta: qué tan bien pueden confiar en sus propias mediciones.
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