El Instituto de Física Racah ( hebreo : מכון רקח לפיסיקה ) es un instituto de la Universidad Hebrea de Jerusalén , parte de la facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales en el campus Edmund J. Safra en el barrio Givat Ram de Jerusalén . [1]
El instituto es el centro de toda la investigación y enseñanza en los diversos campos de la física en la Universidad Hebrea. Estos incluyen astrofísica , física de alta energía , física cuántica , física nuclear , física del estado sólido , física láser y de plasma , biofísica , física no lineal y estadística y nanofísica . En estos campos se llevan a cabo investigaciones tanto experimentales como teóricas.
En 1913, antes de la apertura de la Universidad Hebrea, Chaim Weizmann dio los primeros pasos hacia la investigación en física en Jerusalén . Weizmann, presidente de la Organización Sionista y figura principal en la planificación y fundación de la Universidad Hebrea, se puso en contacto con Leonard Ornstein , el conocido físico de Utrech , Países Bajos, para preparar planes para la investigación en física en la futura universidad. Después de que la universidad se inauguró oficialmente, se convirtió en el presidente del grupo de física durante varios años, actuando desde su asiento en Utrech. En el año 1923, dos años antes de su apertura oficial, Albert Einstein dio una charla en el Monte Scopus , el primer campus de la universidad, sobre su teoría de la relatividad . Esta charla fue considerada por muchos como la charla inaugural de la Universidad Hebrea. [2] [3] Einstein, que apoyó activamente la fundación y el desarrollo de la Universidad Hebrea en Jerusalén desde 1919 y durante toda su vida, fue particularmente activo en ayudar a establecer un buen instituto de física. El conocido matemático Abraham Fraenkel , que formó parte del consejo directivo y más tarde fue decano y rector de la universidad, dedicó grandes esfuerzos a buscar un físico excelente que ocupara la cátedra de física teórica en Jerusalén. Mantuvo una extensa correspondencia con Einstein sobre este asunto, buscando consejo sobre los distintos candidatos posibles. [4]
El primer físico experimental que fue nombrado (en 1928) fue Shmuel Sambursky . Realizó sus experimentos en espectroscopia atómica durante sus visitas al laboratorio de Ornstein en Utrech. Sus tareas docentes consistieron en los cursos de física experimental clásica. En años posteriores se convirtió en un conocido historiador de la física. En 1933 Ernst Alexander se unió al departamento de física experimental y un año después, Guenther Wolfson. Ambos tuvieron que dejar sus puestos en Alemania debido a las nuevas leyes raciales, a pesar de ser físicos experimentales muy valorados allí. Ambos contribuyeron sustancialmente a la creación de una infraestructura experimental para la investigación en física en Jerusalén. En 1934, el ya conocido físico nuclear George Placzek aceptó un puesto en el departamento. Después de unos meses en Jerusalén, se fue debido a la falta de las instalaciones experimentales que consideraba necesarias para su investigación.
Durante los años 1935-38, a varios grandes físicos se les ofreció la cátedra de física teórica. Felix Bloch , Eugene Wigner y Fritz London consideraron seriamente la oferta, cada uno a su turno, después de que tuvieron que dejar sus puestos en Europa. Todos declinaron después de largas negociaciones por diferentes razones personales. Finalmente, Giulio (Yoel) Racah , un joven profesor en Pisa, Italia, fue designado. Fue altamente recomendado por su maestro y mentor Enrico Fermi , así como por Wolfgang Pauli , Niels Bohr y otros. Como sionista, estaba decidido a venir a enseñar en hebreo en Jerusalén. Convirtió el departamento de física teórica de Jerusalén en un centro mundial de espectroscopia atómica. Murió en un accidente en 1965, a los 56 años. Cinco años después, en 1970, los departamentos de física experimental y teórica se unieron en un nuevo Instituto llamado Racah.
En una serie de artículos innovadores, Racah desarrolló los métodos matemáticos, que ahora son métodos de libro de texto, para el cálculo de los espectros de átomos complejos. Este trabajo se llevó a cabo en Jerusalén en completo aislamiento científico durante los años de la Segunda Guerra Mundial. En este trabajo fue pionero en el uso de simetrías y teoría de grupos para estos cálculos. La espectroscopia atómica teórica también fue el tema de la mayoría de sus estudiantes y visitantes. Sin embargo, algunos de sus mejores estudiantes comenzaron a aplicar sus elaborados métodos a la joven ciencia de la espectroscopia nuclear . En Jerusalén, Nissan Zeldes, quien se convirtió en el experto mundial en la teoría de masas nucleares, y Gideon Rakavy. Dos de los estudiantes de Racah, Amos de-Shalit e Igal Talmi , se convirtieron en los líderes mundiales en espectroscopia nuclear teórica. Fundaron el departamento de física nuclear en el Instituto Weizmann en Rehovot . Como se mencionó, la física experimental se llevó a cabo desde finales de la década de 1920, primero por Sambursky en espectroscopia atómica y luego por Alexander y Wolfson en espectroscopia de rayos X , cristalografía y óptica . En 1950, William Low (Ze'ev Lev), que era estudiante de Charles Townes en los Estados Unidos, se unió a la física experimental. Comenzó nuevos campos de investigación en Jerusalén. Comenzó a trabajar en microondas y luego estableció un laboratorio para la investigación de resonancia magnética. También fue pionero en criogenia y física láser en Jerusalén. Siguió la resonancia magnética nuclear, incluida su aplicación médica. Abraham Halperin y Abraham Many, dos de los primeros graduados de Racah, comenzaron nuevas direcciones de investigación en la física del estado sólido. Hicieron investigación experimental sobre las propiedades ópticas y eléctricas de los aislantes y semiconductores, así como las propiedades de la superficie de los sólidos. Estos campos de investigación estaban comenzando a prosperar junto con el nacimiento del transistor. Una incorporación importante al grupo experimental fue el inglés Solly G. Cohen, que se incorporó al grupo en 1949 y se convirtió en el primer experimentalista nuclear que midió radionucleidos de vida muy larga, así como estados nucleares de vida extremadamente corta. A principios de los años sesenta, su interés se centró en el recién descubierto efecto Mössbauer y creó un grupo de investigación que convirtió a Jerusalén en un centro mundial en este campo.
Muchos de los graduados del Instituto Racah (y de los departamentos de física que lo precedieron) se convirtieron en profesores y científicos destacados (incluido un premio Nobel ) en Israel y en todo el mundo. Durante su existencia, el Instituto disfrutó de las visitas de muchos físicos importantes de todo el mundo. Niels Bohr, Paul Dirac , Wolfgang Pauli, Robert Oppenheimer , John Wheeler y Stephen Hawking , por mencionar solo algunos. Todos los ganadores del Premio Wolf y un gran número de premios Nobel se encontraban entre los visitantes. [5]
La investigación actual en el Instituto Racah cubre los campos de la astrofísica, la física de altas energías, la física nuclear, la física de la materia condensada, la física estadística, la física no lineal, la biofísica, la óptica cuántica, la información cuántica y la neurociencia computacional.
La física de la materia condensada en el Instituto Racah contiene tanto un fuerte esfuerzo teórico como experimental. La mayoría de las investigaciones se realizan dentro del amplio campo de la física de muchos cuerpos, con especial énfasis en los fenómenos de no equilibrio, los efectos de la decoherencia y la disipación, el estudio de sistemas de baja dimensión y los sistemas vítreos, por nombrar solo algunos temas. Otra dirección de investigación incluye la física estadística aplicada, por ejemplo, a los sistemas de reacción-difusión, especialmente en casos en los que las fluctuaciones tienen un efecto importante.
En el ámbito de la teoría, los métodos que se emplean van desde diversos métodos teóricos de campo, tanto exactos como perturbativos, hasta métodos numéricos y métodos exactos basados en la teoría de la integrabilidad clásica y cuántica. Estos conceptos y métodos se aplican a una variedad de sistemas físicos, como los problemas de impurezas cuánticas (realizados, por ejemplo, en puntos cuánticos), el efecto Hall cuántico fraccionario, los gases fermiónicos unidimensionales, las transiciones de Anderson y la superconductividad, incluidos los aspectos especiales relacionados con la superconductividad de alta temperatura de transición (Tc ) .
En el ámbito experimental, aprovechando las instalaciones del centro Harvey M. Krueger para la nanociencia y la nanotecnología, los investigadores aplican técnicas modernas de medición y fabricación para estudiar la física de las nanoestructuras, su aplicación al procesamiento de información cuántica, la interacción de la luz y la materia, la superconductividad de alta temperatura de transición vítrea (Tc ) y la física de los vidrios electrónicos. Más específicamente, y resumiendo sólo algunas de las líneas de investigación, los investigadores estudian los fluidos excitónicos en nanoestructuras semiconductoras con la vista puesta tanto en una mejor comprensión física de sus propiedades de coherencia cuántica macroscópica como en posibles aplicaciones futuras en dispositivos electroópticos. Se están estudiando las uniones Josephson para exponer y optimizar las condiciones que permiten una coherencia cuántica macroscópica de larga duración, y para aclarar los procesos que conducen al ruido y la decoherencia. Se están estudiando los vidrios electrónicos para comprender los mecanismos subyacentes que conducen a sus propiedades peculiares, específicamente la interacción de interacciones, desorden y desequilibrio, así como la forma en que estos se manifiestan en las propiedades de transporte.
La investigación en Física de Altas Energías (HEP) incluye tanto la teoría HEP como la fenomenología de partículas.
Una de las actividades actuales del grupo de Física de Altas Energías del Instituto de Física Racah se ocupa de las leyes fundamentales de la naturaleza , que afectan tanto a la teoría cuántica de campos como a la relatividad general (la gravedad de Einstein), junto con la geometría y las matemáticas que las sustentan. La evaluación de los diagramas de Feynman es el núcleo computacional de la teoría cuántica de campos, pero a pesar de los considerables avances realizados durante más de 70 años no se dispone de una teoría general y completa. La investigación del grupo aborda esta cuestión. Esta línea de investigación surgió de un enfoque para resolver el problema de los dos cuerpos en la gravedad de Einstein en el límite post-newtoniano a través de una teoría de campo efectiva (clásica) , un problema que es esencial para la detección e interpretación de las ondas gravitacionales . En este enfoque, se utilizan los diagramas de Feynman para calcular la acción efectiva de dos cuerpos.
Una segunda área de investigación se centra en la física más allá del Modelo Estándar de las interacciones electrodébiles y fuertes. Los ejemplos incluyen modelos de ruptura de la supersimetría y su mediación en extensiones supersimétricas del Modelo Estándar, con énfasis en modelos cuyas propiedades pueden permitir un descubrimiento relativamente temprano en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, modelos de dimensiones adicionales y sus posibles firmas en el LHC y futuros colisionadores, así como su inserción en la teoría de cuerdas, la dinámica de las teorías supersimétricas y la ruptura de la supersimetría, la interacción entre la teoría de calibre y su inserción en las construcciones de branas en la teoría de cuerdas, la física de los agujeros negros y el universo temprano en la teoría de cuerdas, y su interacción con la dinámica de branas y la teoría de calibre, por ejemplo a través de la correspondencia Anti-de-Sitter/Teoría de Campos Conforme , así como varios aspectos de la estructura subyacente de la teoría de cuerdas.
Una tercera área de investigación aborda el entrelazamiento cuántico en la teoría cuántica de campos .
El grupo de Física No Lineal y Estadística lleva a cabo estudios teóricos y experimentales extensos, tratando de comprender el comportamiento de sistemas complejos fuera del equilibrio. Los temas son diversos y abarcan desde la física del plasma , el láser y la física atómica hasta la física de materiales y la biofísica . Las áreas de investigación específicas incluyen la física fundamental de la fractura y el movimiento de fricción, la elasticidad de los objetos en crecimiento, la teoría de grandes fluctuaciones en sistemas alejados del equilibrio, la teoría y las aplicaciones de la autorresonancia, la física estadística fuera del equilibrio de la formación de pulsos láser ultracortos y la teoría semiclásica de paquetes de ondas de la electrodinámica cuántica de cavidades/circuitos y la física de átomos fríos.
En el Instituto Racah se investiga la información cuántica tanto experimental como teóricamente. Las implementaciones experimentales incluyen realizaciones atómicas, fotónicas, semiconductoras y superconductoras. Se investiga activamente el entrelazamiento y la producción de fotones individuales. En el aspecto teórico, se investigan cuestiones fundamentales del entrelazamiento y su caracterización. Otro tema de investigación es la teoría del control dinámico de las trampas de iones y las vacantes de nitrógeno en el diamante.
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