Complex Materials and Fundamental Physics
Responsible
People Involved
Central Node (Zaragoza):
J.L. Alonso, L. Arrachea, A. Cruz, J. Esteve, F. Falceto, L.M. Floria, J. Gómez-Gardeñes, V. Gopar (on leave of absence in Dresde, until end of 2005), A. Maiorano, L. Martín-Moreno, P.J. Martínez, J.J. Mazo, S. Pérez-Gaviro, D. Sciretti, J.L. Velasco, J.M.Reynolds, A. Tarancón, D. Zueco
Universita di Roma (La Sapienza):
E. Marinari and S. Jiménez
Complutense University (Madrid):
R. Fernández Alvarez-Estrada, L. A. Fernández, A. Muñoz-Sudupe, V. Martín-Mayor, P. Verrocchio
University of Extremadura (Badajoz):
J.J. Ruiz-Lorenzo
ICMM (CSIC, Madrid):
F. Guinea
University Carlos III (Madrid):
A. (anxo) Sánchez.
Laboratorio Nacional de Fusión (CIEMAT,Madrid):
F. Castejón.
University of Alicante:
E. Louis
Complex Materials and Fundamental Physics.
The research lines that we explain here are applications of the theoryc to the modelation and simulation of very complex systems. With the expresion "complex system" we mean a system determined by an higth number of conditional factors, which relative importance is not easy to define a priori. An evident example is the human body, but the range is very wide. They are in our definition of "complex System" from the nuclear fusion plasma, like the one that will be produced in the future reactor ITER in Cadarache and that should answer to the challenge of produce energy without produce residues, to the microscopic systems in which will be based the electronic of the future.
The Theoryc Physics interest for these systems, has the origin in the conceptual revolution which valued in 1982 the Nobel to Kenneth G. Wilson. Then we learned that the modelation of any phenomenon or process contains an high arbitrary grade (one model is a mathematical description, idealized and simplified, of a physics phenomenon). This arbitrariety does not impede the model to be reasonablement convenient, but when for that it has to contain an enought number of "relevant" ingredients. The Wilson work showed how to identificate in a systematic way the "relevant" ingredients. From that moment the Theoryc Physics has been showed much more ambicious in relaction to the cuantity and the variety of systems which behaviour is pretended first to explain and after to manipulate.This increase in our ambition has been mostly given by the dramatic increase of the computers power in the last years. This increase has make the theorical physics to dominate, develop or inovate sophisticated numerical simulation tools.
These are some of the "complex systems" which are subjet of our research.
Nuclear fusion plasmas:
From the scientific viewpoint, most of research weigth in spain is developed by the National Fusion Laboratory, (CIEMAT, Madrid). There is an experimental fusion reactor in this laboratory the Stellerator TJ-II, where is made fusion with the aim of research.
The Biocomputing and Physics of Complex Systems Research Institute, university research institute of Aragon, maintain scientific collaborations with the LNF, related to fusion topics. From these collaborations, it has been singed an agreement by the University of Zaragoza Rector, Felipe Petriz, and the CIEMAT director, Juan Antonio Rubio, for what the BIFI becames an Associated Unit of CIEMAT, for a better coordination of Fusion research. This agreement was singed past July 15th of 2004, and will possibilite to make scientific meetings, common research activities and convocation of 4 research fellowships for Fusion PHd Thesis.
El BIFI investiga en el campo de la simulación del Plasma dentro del reactor, en base a su experiencia en Simulaciones Numéricas y disponer de uno de los Centros de Supercomputación mayores del Pais. El objetivo a medio plazo es proporcionar la infraestructura de un reactor virtual, que permita validar modelos teóricos, así como complementar los resultados experimentales. Estas simulaciones permitirán estudiar el comportamiento del plasma, sus propiedades y estabilidad, de cara a un mayor rendimiento del reactor y a un ajuste de los parametros de trabajo (campo magnético, concentración de combustible,...).
De este modo, Aragón se sitúa dentro del Proyecto ITER, el más ambicioso tras el de la Estación Espacial Internacional.
Diseño y construcción de ordenadores dedicados a la simulación de sistemas complejos:
En el mundo de la computación y la simulación, se ha avanzado mucho y hoy en día gracias a la utilización de clusters en los grandes centros de computación, se ha conseguido reducir enormemente los tiempos de cálculo.
Sin embargo, existen determinados problemas, que por su elevada complejidad y al mismo tiempo su gran interés, merecen ser estudiados con máquinas dedicadas.
Estas máquinas dedicadas son computadores fabricados "ad hoc" para la resolución de esos problemas, de modo que su precisa optimización se hace desde el hardware a más bajo nivel, consiguiendo que su potencia sea equiparable al de un elevadísimo número de ordenadores calculando simultáneamente.
El BIFI comenzó su desarrollo de máquinas dedicadas con SUE, la cual está especializada en el estudio de ciertos sistemas denominados vidrios de espín (spin glasses) . En concreto, está construida específicamente para llevar a cabo la actualización de estos sistemas en cada ciclo de reloj, de ahí su nombre SUE (Spin Update Engine).
Tras largo tiempo de funcionamiento y de buenos resultados, actualmente se encuentra en desarrollo una siguiente generación denominada SSUE/Ianus, la cual utilizando las últimas tecnologías en FPGA está previsto que multiplique en un factor 1000 a su antecesora, en su versión final.
Además, no sólo será capaz de resolver el problema de vidrios de espín, sino que se encargará de un abanico de interesantes sistemas complejos como podrían ser el plegamiento de proteínas, la criptografía o la simulación de ordenadores cuánticos.
Manipulación física de moléculas biológicas:
Dada la enorme complejidad de la molecula de ADN, que en un cromosoma humano tiene miles de millones de átomos, es fundamental disponer de modelos sencillos de ADN que permitan desarrollar técnicas computacionales eficientes para aplicaciones genómicas. Nosotros trabajamos intentando validar algunos modelos concretos, que se centran en el efecto de los enlaces entre pares de bases, sin bajar al nivel de los átomos, comparando simulaciones con resultados experimentales de separación de la doble cadena haciendo actuar una fuerza sobre ella.
La teoría de juegos y la conducta humana:
La teoría de juegos se utiliza para entender la cooperación en sociedades primitivas, como la de los Sukuma de Tanzania, que han desarrollado un sistema de castigo de delitos en el que participan poblados separados por grandes distancias (llamado Sungusungu).
El hecho de que las personas cooperemos incluso con desconocidos es muy difícil de entender desde un punto de vista evolutivo, y es un problema que ya hizo notar Darwin. Utilizando la llamada teoría de juegos, de gran éxito en aplicaciones económicas, en su versión evolutiva, estudiamos las condiciones en que la cooperación puede aparecer espontáneamente en la sociedad o, por el contrario, cuándo resulta desfavorable y es inhibida.
Efectos del desorden en sistemas magnéticos y electrónicos:
Los materiales puros (o de la mayor pureza posible) han focalizado la investigación científica durante el pasado siglo. Sin embargo en las últimas décadas se ha comenzado a estudiar como cambian las propiedades de los materiales si los desordenamos. Las impurezas pueden tener un efecto dramático (cualitativo) sobre un material: pueden cambiar su color, transformarlo de conductor de la corriente eléctrica en aislante. Los cambios pueden ser también solamente cuantitativos, pero muy útiles. Un ejemplo lo encontramos en los superconductores: casí todos los metales (que son buenos conductores eléctricos, pero se calientan al conducir la corriente eléctrica lo que origina perdidas), se transforman a bajísima temperatura en superconductores. En este estado, que sólo se alcanza por debajo de una temperatura crítica, la corriente eléctrica fluye sin resistencia, lo cual permite construir imanes potentísimos o transportar corrientes sin perdidas... con el grave inconveniente de que el material ha de estar terriblemente frio. Pues bien, algunos superconductores elevan notablemente su temperatura crítica cuando en su composición aparecen impurezas.
Vidrios:
al enfriar un líquido, normalmente se forma un sólido cristalino. En el sólido, los átomos no se desplazan apenas de sus posiciones de equilibrio, las cuales forman una red periodica. El vidrio, por el contrario, es un estado amorfo: los átomos también están relativamente inmoviles, pero la posición de equilibrio es desordenada.
Con el nombre genérico de vidrios nos referimos a una familia amplísima de materiales (desde el "cristal" de las ventanas, a las proteinas o a los polímeros que comunmente llamamos plástico). Los vidrios son quizas los sistemas complejos estudiados desde hace más tiempo por los físicos y los químicos. Pese a ello, numerosas preguntas elementales no se saben responder (por ejemplo, #N?por qué algunos líquidos al enfriarse forman vidrios y otros forman sólidos normales?). En tiempos recientes, los físicos han entrevisto la posibilidad de estudiar de forma unificada las propiedades de esta familia tan enorme de materiales. La clave es el "envejecimiento". Las propiedades de los materiales "normales" son estáticas, en el sentido de que no cambian en el tiempo. Cuando nos preguntamos la carga que puede soportar el eje de las ruedas nuestro coche, no nos planteamos la posibilidad de que dicha carga sea diferente mañana. Por el contrario, los vidrios envejecen pues sus propiedades (por ejemplo su resistencia a esfuerzos, o su resistencia eléctrica) evolucionan cada vez más lentamente, sin que (en los experimentos más largos realizados hasta la fecha) se tenga noticia de que esta evolución se detenga. Creemos que esta evolución o envejecimiento contiene una información preciosa acerca del proceso de formación del vidrio y de los distintos tipos de vidrio que se puedan formar. Además, el estudio del envejecimiento tiene también sus consecuencias prácticas, pues, por ejemplo las alas de los aviones (hechas con materiales poliméricos) duran unos 20 años, durante los cuales sus propiedades evolucionan.
Transiciones de fase:
Los problemas que analizamos aquí son muchas veces una aplicación de la Física Estadística a la Física de Materiales. Esta última se ocupa de la búsqueda de nuevos materiales con propiedades sorprendentes y posibles aplicaciones industriales. Un ejemplo son las manganitas de magnetorrestistencia colosal, que sufren un incremento dramático en su capacidad de conducir la electricidad si se somente a un campo magnético.
En general, la tarea de búsqueda de física de materiales es compleja pues alteraciones mínimas del material pueden cambiar bruscamente sus propiedades. En muchas ocasiones, dichas propiedades se manifiestan a solamente a baja temperatura. Al calentarlos se produce lo que se denomina "transición de fase". Algunos ejemplos pueden ser la evaporación de agua o la formación de hielo. La magnetorresistencia colosal también desaparece por encima de una temperatura característica.
El estudio de la transición de fase nos permite clasificar distintos cambios a que podemos someter al material (como, por ejemplo, cambios de presión o temperatura, cambios en la composición, etc.) en cambios relevantes e irrelevantes. Todos los materiales que se obtienen unos de otros mediante cambios irrelevantes pertenecen a la misma clase de universalidad y presentan las mismas propiedades de baja temperatura.
Nuestro objetivo es, por tanto, estudiar modelos de transiciones de fase de modo que seamos capaces de asignarles clases de Universalidad e identificar el tipo de materiales cuyo comportamiento puede ser descrito por dichas clases de Universalidad.
bifi.es