{"id":188482,"date":"2014-12-29T15:39:09","date_gmt":"2014-12-29T17:39:09","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=188482"},"modified":"2017-04-11T13:45:22","modified_gmt":"2017-04-11T16:45:22","slug":"maquinas-de-espines","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/maquinas-de-espines\/","title":{"rendered":"M\u00e1quinas de espines"},"content":{"rendered":"

\"054-057_Termodinamica_226\"z\u00e9 vicente<\/span>En un experimento que hasta el a\u00f1o pasado se consideraba imposible, un equipo coordinado por el f\u00edsico Roberto Serra, de la Universidad Federal del ABC (Ufabc), determin\u00f3 cu\u00e1nta energ\u00eda puede ganar o perder un n\u00facleo at\u00f3mico cuando incide sobre el mismo un pulso de ondas de radio. La mayor\u00eda de los cient\u00edficos estaban convencidos de que el comportamiento del n\u00facleo ser\u00eda imprevisible. Jam\u00e1s se conocer\u00edan las probabilidades de que el n\u00facleo absorbiera la energ\u00eda de las ondas, torn\u00e1ndose m\u00e1s caliente, o de enfriarse al transmitir parte de su energ\u00eda a ellas.<\/p>\n

Los nuevos experimentos realizados en el Centro Brasile\u00f1o de Investigaciones F\u00edsicas (CBPF), en R\u00edo de Janeiro, demuestran que ese intercambio de energ\u00eda obedece a leyes de la f\u00edsica que nunca antes fueron testeadas en el mundo subat\u00f3mico. Esas leyes podr\u00edan ayudar a comprender mejor ciertas reacciones qu\u00edmicas tales como la fotos\u00edntesis de las plantas y determinar cu\u00e1nta energ\u00eda necesitar\u00edan las computadoras cu\u00e1nticas para su funcionamiento. \u201cEste es el primer experimento en una nueva \u00e1rea de la f\u00edsica, la termodin\u00e1mica cu\u00e1ntica\u201d, dice Serra.<\/p>\n

Las computadoras cu\u00e1nticas prometen la utilizaci\u00f3n de las leyes de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica para superar exponencialmente el poder de c\u00e1lculo de las computadoras convencionales. Pero \u00bfcu\u00e1nta energ\u00eda consumir\u00e1 en la pr\u00e1ctica ese nuevo tipo de computadoras? \u00bfCu\u00e1nto calor producir\u00e1n con su funcionamiento? \u00bfNecesitar\u00e1n refrigeraci\u00f3n? La respuesta a esos temas es una de las metas de la termodin\u00e1mica cu\u00e1ntica.<\/p>\n

Durante la Revoluci\u00f3n Industrial, en el siglo XIX, otras preguntas similares quedaban en suspenso. \u00bfCu\u00e1l ser\u00eda el m\u00ednimo de carb\u00f3n que consumir\u00edan los hornos y qu\u00e9 temperatura deber\u00edan alcanzar las calderas para que las m\u00e1quinas de vapor lograran su eficiencia m\u00e1xima? Los cient\u00edficos de la \u00e9poca percibieron que tanto el calor como la capacidad de trabajo de las m\u00e1quinas son formas diferentes de una misma magnitud f\u00edsica, la energ\u00eda, que nunca se genera a partir de la nada ni puede destruirse, sino tan s\u00f3lo transformarse. Al investigar la conversi\u00f3n de una forma de energ\u00eda en otra, ellos descubrieron las leyes de la termodin\u00e1mica cl\u00e1sica.<\/p>\n

Seg\u00fan esas leyes, la energ\u00eda fluye espont\u00e1neamente desde un volumen con temperatura caliente hacia otro m\u00e1s fr\u00edo. Y una m\u00e1quina, aunque fuera ideal, s\u00f3lo puede convertir parte de esa energ\u00eda disponible en forma de calor en energ\u00eda capaz de realizar movimientos mec\u00e1nicos, es decir, realizar lo que en f\u00edsica se conoce como trabajo. \u201cLa termodin\u00e1mica le impone l\u00edmites a cualquier tecnolog\u00eda\u201d, dice Serra.<\/p>\n

Los ingenieros victorianos resolvieron sus problemas, pero a costa de un peque\u00f1o truco. Sus c\u00e1lculos s\u00f3lo funcionaban cuando se consideraba que las m\u00e1quinas se hallaban aisladas t\u00e9rmicamente del resto del entorno, intercambiando escaso calor con el ambiente. Era necesario adem\u00e1s que esos procesos fueran lentos. Pero esas aproximaciones no sirven en la mayor\u00eda de las situaciones que ocurren en la naturaleza, como por ejemplo, en muchas reacciones qu\u00edmicas. Cuando resulta imposible aislar t\u00e9rmicamente de su ambiente a un objeto durante mucho tiempo, la temperatura aumenta y disminuye aparentemente de manera imprevisible, al contrario de lo que ocurre en los sistemas aislados, donde todo tiende a un equilibrio.<\/p>\n

Reci\u00e9n en 1997, el fisicoqu\u00edmico Christopher Jarzynski descubri\u00f3 una expresi\u00f3n matem\u00e1tica para calcular las variaciones de energ\u00eda y del trabajo mec\u00e1nico que ocurren fuera de equilibrio. \u201cLa ecuaci\u00f3n de Jarzynski y otros teoremas de fluctuaci\u00f3n les permiten a los qu\u00edmicos la medici\u00f3n en laboratorio de la variaci\u00f3n de energ\u00eda de una mol\u00e9cula antes y despu\u00e9s de una reacci\u00f3n\u201d, explica Serra.<\/p>\n

El propio Jarzynski, en colaboraci\u00f3n con un equipo de California, verific\u00f3 su ecuaci\u00f3n en 2005, observando el trabajo mec\u00e1nico de una mol\u00e9cula de ARN, estirada y comprimida como un muelle. Serra percibe, sin embargo, que, pese a ser microsc\u00f3pico, el movimiento de la c\u00e9lula de ARN era grande y suficiente como para poder calcularlo empleando la famosa f\u00f3rmula derivada de las leyes de la mec\u00e1nica de Newton: \u201cEl trabajo es igual a la fuerza empleada para el desplazamiento por la distancia recorrida\u201d.<\/p>\n

\"054-057_Termodinamica_226\"<\/a>Las ecuaciones de la termodin\u00e1mica, ya sean dentro o fuera del equilibrio, se dedujeron empleando la mec\u00e1nica de Newton. Pero las leyes de Newton pierden sentido para varios procesos que ocurren en las mol\u00e9culas y para todos los que suceden en el interior de los \u00e1tomos, porque all\u00ed no es posible medir fuerzas y desplazamientos con precisi\u00f3n. A esas escalas valen otras leyes, las de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. Serra quer\u00eda saber si ecuaciones como la de Jarzynski a\u00fan regir\u00edan en este mundo subat\u00f3mico. Ese conocimiento ayudar\u00eda a comprender reacciones qu\u00edmicas tales como la fotos\u00edntesis. En la fotos\u00edntesis, las mol\u00e9culas en las c\u00e9lulas de las hojas funcionan como m\u00e1quinas cu\u00e1nticas que absorben energ\u00eda de las part\u00edculas de luz y la almacenan bajo la forma de mol\u00e9culas de az\u00facar. \u201cEse proceso es muy eficiente, porque casi no genera calor\u201d, dice Serra. \u201cLos estudios sugieren que es un proceso cu\u00e1ntico\u201d.<\/p>\n

Hace alg\u00fan tiempo, Serra, sus alumnos y colegas en la UFABC intentaban estudiar la termodin\u00e1mica cu\u00e1ntica en laboratorio, junto con el equipo de los f\u00edsicos Alexandre Souza, Ruben Auccauise, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, quienes trabajan con la t\u00e9cnica de resonancia magn\u00e9tica nuclear en el CBPF. Ambos grupos mantienen una colaboraci\u00f3n que ya ha redunado en varios descubrimientos (lea en <\/em>Pesquisa FAPESP, edici\u00f3n n\u00ba 193<\/em><\/a>).<\/p>\n

En el centro del equipamiento del laboratorio del CBPF hay un peque\u00f1o tubo de ensayo que contiene una soluci\u00f3n pur\u00edsima de cloroformo diluido en agua. Cada una de las alrededor de 1 bill\u00f3n de mol\u00e9culas de cloroformo de la soluci\u00f3n posee un \u00e1tomo de carbono-13. El n\u00facleo de ese tipo de carbono posee una propiedad cu\u00e1ntica denominada esp\u00edn, que recuerda un poco a la aguja de una br\u00fajula magn\u00e9tica y puede representarse mediante una flecha. Bajo el influjo de un fuerte campo magn\u00e9tico paralelo al tubo, dispuesto de abajo hacia arriba, las flechas de esos espines tienden a alinearse con el campo, la mitad de ellas apuntando hacia abajo y la mitad hacia arriba. El campo magn\u00e9tico tambi\u00e9n determina que los espines que apuntan hacia abajo posean mayor energ\u00eda que los que apuntan hacia arriba.<\/p>\n

Los f\u00edsicos manipulan los espines por medio de campos electromagn\u00e9ticos, que oscilan con una frecuencia de 125 megahertz (el dispositivo debe estar aislado para que no capte las estaciones de radio de FM que transmiten en esa frecuencia). Tales manipulaciones se realizan por medio de pulsos de onda y no duran m\u00e1s de algunos microsegundos. El experimento ocurre tan r\u00e1pidamente que es como si, durante escasos instantes, cada \u00e1tomo de carbono en el tubo de ensayo se encontrara aislado del resto del universo, sometido a una temperatura muy cercana al cero absoluto (-273\u00ba Celsius). Los investigadores logran disminuir o aumentar la diferencia de energ\u00eda entre los espines hacia abajo o hacia arriba cuando reducen o incrementan la amplitud de sus ondas de radio. Cuando este cambio de amplitud es muy r\u00e1pido, los espines salen de su aislamiento t\u00e9rmico y comienzan tanto a absorber energ\u00eda de las ondas de radio \u2012en un contexto en el que las ondas realizan trabajo sobre los espines\u2012 como a transmitir parte de su energ\u00eda a las ondas, realizando trabajo sobre ellas. \u201cEso es algo muy dif\u00edcil de medir, ya que los espines de los \u00e1tomos de carbono pueden intercambiar\u00a0 energ\u00eda de cuatro maneras diferentes, que suceden todas simult\u00e1neamente, siguiendo un patr\u00f3n de probabilidades\u201d, explica Serra. \u201cConoc\u00ed un grupo en Alemania que intent\u00f3 realizar ese mismo experimento durante cinco a\u00f1os sin tener \u00e9xito\u201d.<\/p>\n

Lo que impidi\u00f3 el \u00e9xito del grupo alem\u00e1n, seg\u00fan Serra, fue que los f\u00edsicos intentaron medir directamente cu\u00e1ntas veces emit\u00edan o absorb\u00edan energ\u00eda los espines. \u201cEl error acumulado en esas mediciones era tan grande que finalmente no lograban determinar nada\u201d, explica.<\/p>\n

Medici\u00f3n inteligente
\n<\/strong>La soluci\u00f3n lleg\u00f3 muy pronto para Serra, en febrero de 2013, cuando el f\u00edsico Mauro Paternostro, de la Queen\u2019s University, en Belfast, Irlanda, present\u00f3 un seminario en la UFABC sobre propuestas in\u00e9ditas para observar el trabajo producido por part\u00edculas de luz en forma indirecta. A continuaci\u00f3n, Paternostro, actualmente profesor visitante en la UFABC, y Laura Mazzola, su colega en Belfast, comenzaron a discutir con Serra, Auccauise y el estudiante de doctorado en la UFABC, Tiago Batalh\u00e3o, c\u00f3mo adaptar esas t\u00e9cnicas para observar el trabajo de los espines de carbono en forma indirecta. Junto a John Good, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, el equipo descubri\u00f3 un modo sutil de hacerlo utilizando los espines de los n\u00facleos de hidr\u00f3geno de las mol\u00e9culas del cloroformo para espiar lo que ocurre con los espines de los \u00e1tomos de carbono mientras realizan el trabajo, sin interferir en el proceso.<\/p>\n

La precisi\u00f3n del experimento fue suficiente para registrar variaciones de temperatura en los espines de carbono del orden de milmillon\u00e9simas de grado y verificar que la ecuaci\u00f3n de Jarzynski se cumple a escala subat\u00f3mica. Otro resultado interesante: los espines de carbono poseen una tendencia mayor a extraer energ\u00eda de las ondas de radio cuando la amplitud del pulso de onda se reduce. Esa tendencia se invierte cuando la amplitud de onda aumenta: los espines tienden a transferir energ\u00eda a las ondas, es decir, realizan trabajo sobre las ondas.<\/p>\n

\u201cPodemos aprovechar esa diferencia para crear una m\u00e1quina t\u00e9rmica cu\u00e1ntica\u201d, dice Serra. El dispositivo funcionar\u00eda alternando pulsos de amplitud reducida y aumentada entre dos estados de equilibrio t\u00e9rmico, cada uno con una temperatura diferente (observe la infograf\u00eda<\/em><\/a>). Esa m\u00e1quina funcionar\u00eda de manera parecida a un motor de combusti\u00f3n, que realiza trabajo mec\u00e1nico con parte de la energ\u00eda qu\u00edmica transformada en calor mediante la explosi\u00f3n del combustible.<\/p>\n

La m\u00e1quina de espines tendr\u00eda escasa utilidad: el trabajo producido le aportar\u00eda una energ\u00eda \u00ednfima a las ondas de radio, apenas suficiente como para movilizar el esp\u00edn de un n\u00facleo at\u00f3mico cualquiera. Serra est\u00e1 m\u00e1s interesado en medir cu\u00e1nta energ\u00eda consume y cu\u00e1nto calor disipa durante su funcionamiento.<\/p>\n

\u201cLa t\u00e9cnica aplicada en ese experimento posee un gran potencial\u201d, dice el f\u00edsico Lucas C\u00e9leri, de la Universidad Federal de Goi\u00e1s, quien estudia la posibilidad de observar la termodin\u00e1mica de una \u00fanica part\u00edcula de luz en colaboraci\u00f3n con los f\u00edsicos Paulo Souto Ribeiro y Stephen Walborn, de la Universidad Federal de R\u00edo de Janeiro, para el inicio del a\u00f1o que viene. \u201cLos avances experimentales son muy raros en la termodin\u00e1mica cu\u00e1ntica, debido a la necesidad\u00a0 de controlar el sistema cu\u00e1ntico y su aislamiento del ambiente\u201d.<\/p>\n

Proyecto<\/strong>
\nInstituto Nacional de Ciencia y Tecnolog\u00eda de la Informaci\u00f3n Cu\u00e1ntica (n. 2008\/ 57856-6<\/a>); Modalidad<\/strong> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador responsable<\/strong> Amir Caldeira\u00a0 (Unicamp); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.384.811,24 (FAPESP) y R$ 5.700.000,00 (CNPq).<\/p>\n

Art\u00edculo cient\u00edfico
\n<\/em>BATALH\u00c3O, T. B. et al<\/em>. Experimental reconstruction of work distribution and study of fluctuation relations in a closed quantum system<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>. v. 113 (14). 3 oct. 2014.<\/p>\n

 <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Brasile\u00f1os descubren c\u00f3mo medir variaciones de energ\u00eda en n\u00facleos at\u00f3micos","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[304],"coauthors":[103],"class_list":["post-188482","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/188482","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=188482"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/188482\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=188482"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=188482"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=188482"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=188482"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}