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Investigaciones de las Propiedades de la Materia Condensada como Preludio

de Avance en Ciencia y Tecnología

Oscar Bernal

California State University

Los Angeles

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Contenido Introducción Una historia corta de materia condensada

y la técnica IRM La materia condensada en EEUU

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fMRI

Analgesia

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fMRI

P

Palabra

“La idea es poder descomponer los pr ocesos de f luj o de pensamient os en pensamient os individuales.”

(St ephan Posse, U of New Mexico)

El BI T del pensamient o?

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MRI Microscopy

ht t p:/ / www.t echnologyr eview.com/ video/ ?vid=207

"The dr eam of imaging a single molecule is somet hing t hat keeps chemist s up at night . I f you had t his t ool, t her e' s no end of t hings t hat you could do wit h it , and

t her e' s no end t o t he good t hat would come of it ."(J ohn Mar ohn, Cor nell U)

Tobacco mosaic vir us

Micr oscópio de f uer za magnét ica

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Cómo se ha llegado aquí? Investigación en Materia Condensada Investigación en Resonancia Magnética Nuclear La Conexión

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Resumen de dos eventos importantes en materia condensada

Teoría electrónica de los metales

(1900—1933) Teoría de bandas electrónicas en sólidos

(1933—1960)

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Semiconductores

El pr imer Tr ansist or f ue desar r ollado en 1947 en los labor at or ios Bell por Shockley, Br at t ain, and Bar deen

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Primeros Circuitos Integrados

Dos transistores montados sobre un substrato de germanio.

(TI, September 12, 1958) Unos transistores mas (TI, ca 1960)

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Semiconductores

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Mientras tanto...Resonancia Magnética Nuclear

Los principios físicos Importantes pasos históricos en el

desarrollo de RMN y IRM La idea de obtener imágenes

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Receiver

NMR Experiment

Generator

S

N

H

Low Mid High Frequencies

SignalIntensity

ω = γ H

NMR Spectrum

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Desarrollo Histórico

I. I. Rabi: experimentos con fuentes moleculares; medida de momentos magnéticos en átomos y núcleos por un “método de resonancia” 1937 Nobel prize awarded 1944

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La primera deteccion exitosa de RMN en la materia condensada.

Felix Bloch (Stanford)“Nuclear Induction”

January 1946

Edward Purcell (MIT)“Resonant Absorption”

December 1945

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Desarrollo histórico simplificado Bloch, Purcell: primera detección exitosa 1945; Premio Nobel en 1952 Richard Ernst, Wes Anderson: FT NMR 1965; Premio Nobel para Ernst en 1991.

Aparece el minicomputador: 1965

Kurt Wüthrich: 3D estructura de bio-moléculas en solución 1980’s; Nobel Prize awarded 2002

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Pasos Históricos de IRM

Raymond Damadian: T1/T2 más largo en células de cáncer 1971 (diagnosis/radiology)

Paul Lauterbur, Peter Mansfield: uso de gradientes de campo magnético y desarrollo de herramientas matemáticas para manipular la información y producir imágenes 1971;

Premio Nobel otorgado en 2003

SIUNAD

La idea de IRM:

xx 1 x 2 x 3 x 4

S

N

S

N

S

N

S

N

H1

H2

H3

H4

ω1 ω2 ω3 ω4 ω

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ωω1 ω2MRI

H ( x)

xx1 x2

H2

H1

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Aplicaciones inmediatas de RMN/IRM

Física/Ciencia de Materiales Química/Bio-química Medicina/Fisiología/Radiología Geología Agricultura/Ciencia de Suelos Tecnología de alimentos Defensa/Ciencias Forenses

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Regresando al Futuro

Desarrollar nuevos métodos de polarización nuclear (optical pump)

Desarrollar nuevos métodos de detección de señal (MFRI)

Descubrir nuevas formas de producir imágenes (atomic magnetometer)

Establecer grupos de excelencia en IRM

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La Materia Condensada como actividad multidisciplinaria

La materia condensada en EEUU Las prioridades de inversión Las recomendaciones de la

academia de ciencias (CMMP2010)

Conclusión

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El gobierno de los EEUU patrocina investigaciones de la física de la materia condensada

en las áreas experimental y teórica, con proyectos que

estudian la física fundamental de los fenómenos exhibidos por

estos sistemas.

La escala es desde nano hasta macro (0D 1D 2D 3D: puntos cuánticos, cables, interfaces, cristales...)

Los fenomenos classicos y cuanticos (e.g., transiciones de fase, información, ondas, particulas..)

Las condiciones de equilibrio y de no eq (e.g., transporte, dinámica no-lineal, time dependence...)

Los sistemas de sólidos y fluídos (e.g., granulados, fluídos cuánticos, supersólido, aislante topológico...)

Las condiciones extremas (T, P, H) (e.g., superfluídos, criticalidad cuantica, magnetism...)

Las frecuencias DC hasta Terahertz y más(e.g., RNM, muSR, neutrones, ópticas, rayos X y gamma... )

Instrumentación (e.g., AMO, alta energía, acústica, preparación de muestras.)

Investigaciones de Materia Condensada en EEUU

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Hacia donde va la investigación en este tema en los EEUU

Materia CuánticaEstados cuánticos de la materia; coherencia cuántica y “entanglement”; control y manipulación de sistemas y estados cuánticos; transiciones de fase cuántica; condensación BEC; fluídos fermionicos; conexiones entre la óptica física atómica y molecular y la materia condensada; spintronics.

Entendiendo sistemas de no equilibrioe.g. fluctuaciones grandes y catastróficas – avalanchas (sudden magnetic domain reorientation, vortex flux-bundle motion, landslides); turbulencia; fractura; comportamiento “glassy”; “jamming”; la vida…

Interfaces – sistemas híbridossuperconductor/ferromagnet; ferroelectric/ferromagnet; spin injection through interfaces; organic/inorganic; …

Presiones sobre el presupuestoHe líquido, nanofabricación, personal, equipo y desarrollo de instrumentación

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Recomendaciones de la academia de las ciencias: CMMP 2010

Soporte de investigadores individuales y grupos pequeños Incremento del número de investigadores patrocinados y de

dinero otorgado Desarrollo de métodos de revisión entre colegas para nuevas

áreas Soporte de diseminación, participación de bachilleres y

estudiantes de escuela por medio de suplementos Mejora de la representación de mujeres y grupos

convencionalmente no representados Desarrollo de nuevos laboratorios que reemplacen los de IBM

y otros que se han desmontado Infraestructuras distribuídas a nivel nacional Más fuentes de luz, microscopios de todo tipo, laboratorios de

campos magnéticos altos y centros de nanotecnología

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Teoría

Educación

Experim

ento

Aplicación

FMC

Relaciones publicas y diseminación de conocimiento

Incremento de la participación de la población

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Physics 2010(NRC-AMO Study)

“The overlap between cold-atom physics and CMP will create stunning

opportunities for advances in experiment and theory over the next decade.”

Ultra-cold atoms can model CMP systems. They can be trapped and manipulated using LASER (AMO) techniques.

-Tune the interactions between atoms (vary their distance)

-Create specific arrangements (1D, 2D, 3D + spin + rotation)

-Quantum simulator: simulate superfluidity of a fermionic gas, Cooper

pairs, perhaps high Tc SC (achieved by applying H fields)

-Optical lattices, supersolid, vortices, QHE, Q-computation

It goes both ways:There are solid state systems (nano devices) that reproduce the quantum behavior of AMO systems: cavity QED, qubit control by currents.

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Magnetism

Main Result: three types of substances (dia, para, ferro)Contribution: individual moments interact to produce a collective effectMain problem: how to describe collective phenomena without losing sight of the moments

-1852:Wilhem E. Weber [single-particle+local field]-1890: Alfred Ewing[collective phenomenon]-1895: Pierre Curie [experimental law]-1905: Paul Langevin[theory of diamagnetism] - 1907: Pierre Weiss [molecular mean field]

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Specific Heat of Solids

1906: Einstein used the concept of energy quanta to obtain a T-dependence of the specific heat in solids. 1911—1926: development of the theory of an electron gas; Fermi-Dirac statistics.

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-Fixed positively charged particles.

-Mobile negative carrier: electron

(J.J. Thomson, 1897)-Maxwellian velocity

distribution in equilibrium (free electrons).

Drude (1900)-Lorentz (1905) Modelof Metals

Main Result: Wiedemann-Franz law [κ(T)/σ(T)T = constant] Contribution: Established the free-electron picture of metals Main Problem: Stability of + and - charges

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“…By straight Fourier analysis I found to mydelight that the wave differed from the plane

wave of free electrons only by a periodic modulation...”

Felix Bloch, 1928

Metals Breakthrough

That ’s it !!

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What else can be imaged? 2.1 Basic MRI scans 2.1.1 T1-weighted MRI 2.1.2 T2-weighted MRI 2.1.3 T*2-weighted MRI 2.1.4 Spin density weighted MRI 2.2 Specialized MRI scans 2.2.1 Diffusion MRI 2.2.2 Magnetization Transfer MRI 2.2.3 Fluid attenuated inversion recovery (FLAIR) 2.2.4 Magnetic resonance angiography 2.2.5 Magnetic resonance gated intracranial CSF dynamics (MR-

GILD) 2.2.6 Magnetic resonance spectroscopy 2.2.7 Functional MRI 2.3 Interventional MRI 2.4 Radiation therapy simulation 2.4.1 Current density imaging 2.4.2 Magnetic resonance guided focused ultrasound 2.4.3 Multinuclear imaging 2.4.4 Susceptibility weighted imaging (SWI)

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Development of Band Theory

-(1928) Hans Bethe: electron scattering in metals; forbidden states.-(1929-1931) Rudolph Peierls and Werner Heisenberg: Hall effect, holes, umklapp processes, energy gaps.-(1930) Leon Brillouin: Brillouin zones, effective mass.-(1931) Alan Willson: metal, semi-metal, insulator, semiconductor, impurity levels.

Hans Bethe in 1935

UNAD

In-Vivo Spectroscopy

UNADωω1 ω2

MRI and Nuclear RelaxationNormal Abnormal

Pr ecession t ime

Inte

nsit

y

SIUNAD

NuclearH2O

1 cm

~ 3 x 1022 molecules

3 x 10−8 cmO

HH

Properties:* mass* charge* spin

Nucleus ~10−13 cm

1 x 10−8 cme

UNAD

Magnetic

Interaction:

E = − ( µ . H )

Applied Magnetic Field H

S

N

HMagnetic Moment µ

HH2O

Precession:ω = γ H

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Resonance

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Theoretical Views ca. 1900

-Magnetism-Heat Capacity -Heat and Electrical Conductivity

Microscopic conceptions of matterwere needed to tackle specific problems:

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Aplicacion a materiales AFMs

T < TN : Antiferromagnetic

S

N

H ω0

T > TN

Espectro Resultante Experimento: Deteccion de AFM

T > TN : Paramagnetic

ω0 − δ ω0 + δ

T < TN

UNADωω1 ω2

IRM y la Relajacion NuclearNormal Abnormal

Pr ecession t ime

Inte

nsit

y