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sábado, 14 de enero de 2017

Inteligencia artificial basada en la espintrónica

La espintrónica puede enriquecer o incluso reemplazar a la electrónica tradicional. Mientras los circuitos electrónicos hacen circular a los electrones gracias a su carga, los circuitos de la espintrónica funcionarían basándose en el espín. El espín es una manifestación de la mecánica cuántica que podría describirse como apuntando hacia "arriba" o hacia "abajo". Constituye una propiedad fundamental del electrón y es responsable de la mayoría de los fenómenos magnéticos.

Gracias a las peculiaridades de los circuitos espintrónicos, en ellos operaciones típicas de la circuitería clásica, como la conmutación (el mecanismo que produce los ceros y los unos del código binario) podrían ser realizadas más deprisa y usando menos energía.

La inteligencia artificial es una modalidad aún poco desarrollada de la computación, y busca emular el procesamiento de información del cerebro así como su habilidad para hacer deducciones. Tiene como principal propósito realizar tareas computacionales muy complejas, como el reconocimiento de imágenes o la predicción meteorológica, y su meta final es lograr una réplica de la mente humana lo más parecida posible a esta.

La inteligencia artificial que se usa actualmente funciona sobre el marco convencional proporcionado por la tecnología de circuitos integrados basados en semiconductores. Sin embargo, esta carece del carácter compacto y del bajo consumo energético del cerebro humano. Para superar este reto, resulta muy prometedora la aplicación imaginativa de un dispositivo de estado sólido individual, que adopta el papel de una sinapsis. Las sinapsis son, por así decirlo, los cables que conectan a unas neuronas con otras.

La espintrónica promete potenciar la inteligencia artificial hasta cotas de eficacia mucho más altas que cualquiera de las alcanzadas mediante las técnicas convencionales.

Consiguen demostrar con éxito la operación básica de un sistema de inteligencia artificial basado en la espintrónica.

Un grupo de trabajo de la Universidad de Tohoku en Japón, ha desarrollado una red neural artificial en la que se emplean sus dispositivos espintrónicos recientemente desarrollados, los cuales incluyen material magnético a escala micrométrica. El dispositivo espintrónico utilizado es capaz de memorizar valores arbitrarios entre 0 y 1 de una forma analógica, a diferencia de los aparatos magnéticos convencionales que solo pueden grabar el 1 o el 0, y por tanto es capaz de llevar a cabo la función del aprendizaje, que en el caso del cerebro humano es posible gracias a las sinapsis.

Usando la red desarrollada, los investigadores examinaron una operación de memoria asociativa, que no se ejecuta fácilmente en los ordenadores convencionales. A través de múltiples pruebas, confirmaron que los dispositivos espintrónicos poseen una capacidad de aprendizaje con la que la red neural artificial desarrollada puede conseguir asociar patrones y memorizarlos de un modo parecido a como lo hace el cerebro humano.

Se espera que la demostración del concepto en esta investigación abra nuevos horizontes para la tecnología de la inteligencia artificial, logrando que esta no necesite ser voluminosa, y dotándola de capacidades de procesamiento rápido y un consumo de energía ínfimo.





domingo, 16 de octubre de 2016

Onda electromagnética

El término onda electromagnética se utiliza para describir la forma en la que desplaza la radiación electromagnética a través del espacio. La radiación electromagnética se caracteriza por tener dos campos, uno eléctrico y otro magnético, y se desplaza en forma de onda con los dos campos perpendiculares y oscilantes. La oscilación es la responsable de que la radiación describa una onda al propagarse.

El medio por el que se creía viajaban las ondas le llamaban "éter" pero nunca se encontró, por el contrario, se ha demostrado que las ondas de radiación electromagnética son capaces de propagarse por el espacio vacío, algo que ha sido muy importante en el desarrollo de algunas tecnologías y en el avance de la ciencia.


Longitud de onda y frecuencia

Las características más importantes de las ondas electromagnéticas son la frecuencia y la longitud de onda, cuyo valor se utiliza para clasificar la radiación electromagnética en diferentes tipos.

Una onda electromagnética tiene crestas y valles, como una ola del mar. La longitud de onda es la distancia entre dos puntos idénticos de la onda en dos ciclos diferentes. Y un ciclo es un recorrido completo: desde el nivel cero sube hasta el máximo de la cresta; desde aquí baja hasta el mínimo del valle y vuelve a subir de nuevo hasta el nivel cero. Generalmente se mide como la distancia entre el máximo de una cresta y el máximo de la cresta siguiente o entre el mínimo de un valle y el mínimo del valle contiguo.

La longitud de onda puede ir desde miles de kilómetros hasta distancias inferiores al diámetro del núcleo de un átomo. El rango completo de longitudes de onda se conoce como espectro electromagnético y, en orden decreciente, incluye ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

La frecuencia es otra de las características más destacadas para definir a una onda y es una medida de la velocidad de oscilación del campo electromagnético. Se mide según el número de ciclos que pasan por un mismo punto durante un determinado período de tiempo, por ejemplo ciclos por segundo (Hercio – Hz).

Todas las ondas electromagnéticas se propagan a la misma velocidad, la velocidad de la luz. Esto implica que la frecuencia y la longitud de onda dependen una de la otra. A mayor longitud de onda, más mide un ciclo y, como la velocidad es constante, menos ciclos pasarán por unidad de tiempo, es decir, a mayor longitud de onda, menor frecuencia, y viceversa.

Por tanto, como la longitud de onda y la frecuencia determinan la velocidad de propagación y se sabe que toda onda se propaga a la velocidad de la luz, se puede concluir que:

(fórmula longitud de onda y frecuencia)


Siendo c la velocidad de la luz, λ la longitud de onda y ν la frecuencia.

Energía

La radiación electromagnética transporta más energía cuanto menor longitud de onda tiene, es decir, que a mayor frecuencia, mayor energía. La energía que transporta una onda electromagnética determina como afecta a la materia. Las ondas de radio de baja frecuencia apenas perturban los átomos y moléculas, mientras que las microondas, que transportan más energía, hacen que algunos átomos y moléculas se muevan o vibren más rápido y aumenten de temperatura.

Los rayos X y los rayos gamma tienen una acción mucho mayor pudiendo romper enlaces moleculares o liberar electrones de los átomos y formar iones, motivo por el que se conocen como radiación ionizante.

Según Planck, la energía de la radiación electromagnética es:



Relación de Planck : E es la energía, ν la frecuencia y h es la conocida como constante Planck, que es igual a 6,6260693(11)x10-34.

Dualidad onda corpúsculo

La relación entre la luz y el electromagnetismo fue establecida en el siglo XIX por el trabajo del físico James Clerk Maxwell. A partir de aquí, surgió el estudio de la electrodinámica, campo en el que las ondas electromagnéticas, como la luz, se consideran perturbaciones en un campo electromagnético creado por el movimiento de partículas cargadas eléctricamente. A diferencia del supuesto éter, el campo electromagnético es la esfera de influencia de una partícula cargada y no un material o cosa tangible.

Trabajos posteriores de comienzos del siglo XX mostraron que la radiación electromagnética también tenía propiedades propias de las partículas. Algunos experimentos mostraban que la radiación se comportaba como onda mientras que otros mostraban un comportamiento como si la radiación estuviese formada por partículas. A estas partículas, Einstein les daría el nombre de fotones, o cuantos de luz, cuya energía es definida por la relación de Planck.

Con su modelo de fotones, Einstein fue capaz de explicar el fenómeno fotoeléctrico y, junto a su interpretación del movimiento browniano, le hizo recibir el Premio Nobel en Física en 1921

En 1924, el físico francés Louis-Victor de Broglie postuló el principio de dualidad onda corpúsculo de la materia, según el cual, toda la materia existente en el Universo tiene propiedades tanto de onda como de corpúsculo, y definió las ondas de materia.

Experimentos posteriores han podido comprobar características de onda en partículas subatómicas, en átomos y en moléculas. Aunque este postulado es ampliamente aceptado, aún no hay consenso universal sobre si afecta efectivamente a toda la materia como postuló De Broglie; por el momento, el compuesto más grande sobre el que se ha observado características de onda ha sido en el fullereno en un estudio llevado a cabo en la Universidad de Viena en el año 2005.

El fullereno es un compuesto bastante grande, su masa atómica es 720 y su diámetro molecular es 40 nanómetros. Se llegó a medir su longitud de onda, 2.5 picómetros (400 veces su diámetro molecular). Pero este experimento asumió que las hipótesis de De Broglie eran correctas, y por eso hay controversia sobre sus resultados.

Aplicaciones

Una gran parte de la tecnología moderna depende de las ondas electromagnéticas. Radio, televisión, telefonía móvil y el propio Internet se basan en la transmisión de radiofrecuencia por el aire, por el espacio o a través de cables de fibra óptica.

Los láseres utilizados para grabar los CDs, DVDs y discos Blu-Ray utilizan ondas de luz para escribir y leer la información en los discos. Las máquinas de rayos X son esenciales en medicina y otras pruebas diagnósticas por imagen también se basan en ondas electromagnéticas, como la gammagrafía.

Las ondas electromagnéticas tienen otras muchas aplicaciones pero no podemos olvidarnos de mencionar su importante papel en el avance de la ciencia. Por ejemplo, el conocimiento actual del Universo proviene ampliamente del estudio y análisis de luz, ondas de radio, radiación ultravioleta y rayos X que nos llegan de galaxias y estrellas muy distantes.

Implicaciones en salud

Se cree que la radiación electromagnética de poca energía, aquellas con baja frecuencia y longitud de onda larga, como la radiofrecuencia, no son perjudiciales para la salud humana. A mayor energía, sin embargo, la radiación electromagnética es peligrosa. Por ejemplo, los rayos X y los rayos gamma pueden dañar a nuestras células, incluso matarlas. También pueden alterar al ADN y producir mutaciones que aumentan la probabilidad de desarrollar cáncer.

El riesgo para los pacientes del uso de rayos X se considera insignificante, pues se exponen a ellos de forma muy esporádica. Sin embargo, los radiógrafos deben llevar indumentaria de material impenetrable por los rayos X, así como seguir otras medidas de seguridad, para disminuir los riesgos de la exposición a la que se ven sometidos a diario.

La radiación ultravioleta, presente en la luz solar, puede causar quemaduras y una exposición excesiva continuada puede favorecer a la aparición de cáncer de piel.

lunes, 19 de septiembre de 2016

Estados de la materia

Estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso y plasma.

Ya habíamos oído hablar de los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, existe un cuarto estado denominado plasma y un quinto estado, el Condensado de Bose-Einstein.
Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.

La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
Los sólidos: Las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras.

Propiedades:
- Tienen forma y volumen constantes.
- Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
- No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos.
- Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían.

Los líquidos: las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras.
 
Propiedades:
 
- No tienen forma fija pero sí volumen.
- La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
- Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.
Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos.
- Se dilatan y contraen como los sólidos.
 
Los gases: En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias.

Propiedades:
- No tienen forma ni volumen fijos.
- En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
- El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa.
- Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene.
- Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen.
- Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas.
- Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.

Plasma: Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos.
El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad.

Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el sol.

Otros ejemplos:

Plasmas terrestres:
 
- Los rayos durante una tormenta.
- El fuego.
- El magma.
- La lava.
- La ionosfera.
- La aurora boreal.
 
Plasmas espaciales y astrofísicos:
 
- Las estrellas (por ejemplo, el Sol).
- Los vientos solares.
- El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias).
- Los discos de acrecimiento.
- Las nebulosas intergalácticas.
- Ambiplasma
 
Estado Condensado de Bose-Einstein: Representan un quinto estado de la materia visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia 1920. Los condensados B-E son superfluídos gaseosos enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273 ° C  o −459,67 °F). 
 
En este estado, todos los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental.
 
Para hacernos una idea de lo que sería un objeto cotidiano estando en estado de Bose-Einstein, proponemos imaginar que varias personas estuvieran sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento.
 
 
- Dato curioso:  El estado de Bose-Einstein se podría considerar el estado 0 de la materia, ya que se da en partículas bosónicas (o que se comportan como las mismas) cuando se acercan al cero absoluto, que es la menor temperatura que un cuerpo puede alcanzar.