Luciérnagas células del corazón, relojes y las redes eléctricas lo hacen:pueden sincronizarse espontáneamente, enviando señales al unísono. Por siglos, Los científicos se han quedado perplejos por este comportamiento autoorganizado, idear teorías y experimentos que conforman la ciencia de la sincronización. Pero a pesar de los avances en el campo, Los misterios aún persisten, en particular cómo las redes de elementos completamente idénticos pueden desincronizarse.

Ahora, en un nuevo estudio en la edición del 8 de marzo de la revista Ciencias , Los investigadores de Caltech han demostrado experimentalmente cómo una simple red de nanomáquinas sincronizadas idénticas puede dar lugar a desincronización, estados complejos. Imagina una fila de bailarines Rockette:cuando todos patean al mismo tiempo, están sincronizados. Uno de los estados complejos que se observa que surge de la red simple sería similar a los bailarines de Rockette pateando sus piernas "fuera de fase" entre sí, donde todos los demás bailarines están levantando una pierna, mientras que los bailarines del medio acaban de terminar una patada.

Los hallazgos demuestran experimentalmente que incluso las redes simples pueden generar complejidad, y este conocimiento, Sucesivamente, en última instancia, puede conducir a nuevas herramientas para controlar esas redes. Por ejemplo, al comprender mejor cómo las células del corazón o las redes eléctricas muestran complejidad en redes aparentemente uniformes, los investigadores pueden desarrollar nuevas herramientas para hacer que esas redes vuelvan al ritmo.

"Queremos aprender a hacer cosquillas, o empujar suavemente, un sistema en la dirección correcta para volver a ponerlo en un estado sincronizado, "dice Michael L. Roukes, el profesor de física Frank J. Roshek, Física Aplicada, y Bioingeniería en Caltech, e investigador principal de la nueva Ciencias estudio. "Esto quizás podría engendrar una forma nueva, desfibriladores menos duros, por ejemplo, por devolver el ritmo al corazón ".

Las oscilaciones sincronizadas se observaron por primera vez desde el siglo XVII, cuando el científico holandés Christiaan Huygens, conocido por descubrir la luna de Saturno Titán, señaló que dos relojes de péndulo colgados de un soporte común eventualmente llegarían a hacer tictac al unísono. A través de los siglos, matemáticos y otros científicos han ideado varias formas de explicar el extraño fenómeno, visto también en las células del corazón y el cerebro, luciérnagas nubes de átomos fríos, los ritmos circadianos de los animales, y muchos otros sistemas.

En esencia, estas redes constan de dos o más osciladores (los nodos de la red), que tienen la capacidad de marcar por sí mismos, enviando señales repetidas. Los nodos también deben estar conectados de alguna manera entre sí (a través de los bordes de la red), para que puedan comunicarse y enviar mensajes sobre sus diversos estados.

Pero también se ha observado desde principios de la década de 2000 que estas redes, incluso cuando consta de osciladores idénticos, puede desincronizarse espontáneamente y evolucionar hacia patrones complejos. Para comprender mejor lo que está pasando, Roukes y sus colegas comenzaron a desarrollar redes de dispositivos nanomecánicos oscilantes. Comenzaron simplemente conectando dos, y ahora, en el nuevo estudio, han desarrollado un sistema interconectado de ocho.

Para sorpresa del equipo, el sistema de ocho nodos evolucionó espontáneamente en varios exóticos, estados complejos. "Esta es la primera demostración experimental de que estos muchos distintos, los estados complejos pueden ocurrir en el mismo sistema simple, "dice el coautor James Crutchfield, asociado visitante en física en Caltech y profesor de física en UC Davis.

Para volver a la metáfora de Rockettes, Otro ejemplo de uno de estos estados complejos sería si todos los demás bailarines estuvieran levantando una pierna, mientras que los bailarines en el medio hacían algo completamente diferente como agitar sus sombreros. Y los ejemplos se vuelven aún más matizados que esto; con pares de bailarines haciendo los mismos movimientos entre pares de otros bailes haciendo algo diferente.

"La característica desconcertante de estos estados en particular es que las Rockettes en nuestra metáfora solo pueden ver a su vecino más cercano, pero logra coordinarse con el vecino de su vecino, "dice el autor principal Matthew Matheny, un científico investigador en Caltech y miembro del Instituto de Nanociencia Kavli.

"No sabíamos lo que íbamos a ver, ", dice Matheny." Pero lo que estos experimentos nos dicen es que se puede obtener complejidad de un sistema muy simple. Esto fue algo que se insinuó antes, pero no se demostró experimentalmente hasta ahora ".

"Estos estados exóticos que surgen de un sistema simple son lo que llamamos emergentes, "dice Roukes." El todo es mayor que la suma de las partes ".

Los investigadores esperan seguir construyendo redes cada vez más complejas y observar qué sucede cuando se conectan más de ocho nodos. Dicen que cuanto más puedan comprender sobre cómo evolucionan las redes a lo largo del tiempo, cuanto más puedan controlarlos con precisión de formas útiles. Y, eventualmente, pueden incluso aplicar lo que están aprendiendo a modelar y comprender mejor el cerebro humano, una de las redes más complejas que conocemos. con no solo ocho nodos sino 200 mil millones de neuronas conectadas entre sí típicamente por miles de bordes sinápticos.

"Décadas después de las primeras teorías de la ciencia de la sincronización, y finalmente estamos comenzando a comprender lo que está pasando, ", dice Roukes." Tomará bastante tiempo antes de que entendamos la increíblemente compleja red de nuestro cerebro ".

El nuevo Ciencias el estudio se titula, "Estados exóticos en una red simple de osciladores nanoelectromecánicos".