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Física
La Propulsión y la Navegación de
los Atomos
18 de
Septiembre de 2007.
 De
modo parecido a cómo se logra que una nave espacial navegue a través del
sistema solar por medio de la gravedad y de breves encendidos de los
motores de propulsión, los científicos pueden guiar átomos, moléculas y
hasta reacciones químicas, utilizando para el papel que en astronáutica
tiene la gravedad, a las fuerzas que unen a los núcleos y los electrones
en las moléculas, y usando para la propulsión a la luz. Sin embargo,
conocer la cantidad mínima de luz requerida y cómo cambia esa cantidad
con la complejidad de la molécula, había sido un problema, hasta ahora.
En una nueva investigación, mediante la creación de una analogía en la
mecánica cuántica de la Conjetura de Ulam, Martin Gruebele, profesor de
Química y director del Centro para la Biofísica y la Biología
Computacional de la Universidad de Illinois, y Peter Wolynes, profesor
de Química y Bioquímica de la Universidad de California, han ampliado la
flexibilidad de los sistemas de mecánica cuántica y la capacidad de
control sobre estos.
Al emplear fotones, es posible aprovecharse selectivamente del
movimiento caótico para así controlar las reacciones químicas y el
movimiento de objetos cuánticos, como nanoagrupaciones, moléculas y
buckybolas.
Si se da tiempo suficiente, el movimiento caótico clásico conectará
espontáneamente dos puntos del espacio de fases con precisión
arbitraria.
La conjetura de Ulam, llamada así por el trabajo del matemático
Stanislaw Ulam realizado en 1956, se emplea ahora rutinariamente para
guiar las naves espaciales por el sistema solar con el mínimo gasto de
energía.
La idea es que un sistema complejo como nuestro sistema solar tiene
muchos planetas, lunas y asteroides que pueden lanzar a la nave espacial
por medio de la gravedad hacia donde se desee. En lugar de impulsar un
cohete con una fuerza bruta en una ruta directa hacia el objetivo, se
puede impulsar la nave espacial hacia las cercanías de alguna luna y
permitir que ella haga la mayor parte del trabajo.
Empleando los fotones como fuente de energía, los electrones dentro de
las moléculas pueden moverse de modo similar a como lo hace una nave
espacial en el sistema solar. Pero hay un problema: debe usarse la
mecánica cuántica y no la dinámica newtoniana para describir los
movimientos. En la mecánica cuántica el sistema se describe por medio de
una función de onda o un estado cuántico.
En su analogía en la mecánica cuántica de la conjetura de Ulam, Gruebele
y Wolynes demuestran que hay límites en cuán eficientemente una fuerza
externa puede llevar un sistema desde un estado inicial dado hasta el
estado escogido como destino. Ellos utilizan el concepto de "espacio de
estados" para describir todos los posibles estados cuánticos del
sistema.
Los investigadores pueden calcular hacia dónde irá con más probabilidad
este estado inicial, y de dónde vendrá con más probabilidad el estado
elegido como destino. Entonces pueden identificar los lugares en el
espacio de estados donde ambos se encuentren más cercanos entre sí.
Esas ubicaciones son aquellas donde la energía se aplica más
eficientemente para realizar la transformación cuántica deseada desde el
estado inicial al estado elegido como destino. Las ecuaciones de los
investigadores también establecen cuántos fotones se necesitan y los
límites fundamentales del tiempo requerido.
Los investigadores pueden esperar el mejor momento posible para utilizar
la menor cantidad de energía. Han creado un método rápido y exacto para
calcular la forma más eficiente de guiar un sistema cuántico entre dos
estados especificados.
Información adicional en:
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