{"id":249622,"date":"2017-11-28T17:48:58","date_gmt":"2017-11-28T19:48:58","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=249622\/"},"modified":"2017-11-28T17:48:58","modified_gmt":"2017-11-28T19:48:58","slug":"una-diablura-cuantica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/una-diablura-cuantica\/","title":{"rendered":"Una diablura cu\u00e1ntica"},"content":{"rendered":"
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Fundamentals of Cybernetics | A. Y. Lerner | Springer<\/span><\/a> Un trabajo de 1975 del matem\u00e1tico ruso Alexander Lerner representa al demonio de Maxwell dentro de uno de los recipientes con las mol\u00e9culas de gas que deber\u00eda seleccionarFundamentals of Cybernetics | A. Y. Lerner | Springer<\/span><\/p><\/div>\n

La generaci\u00f3n aleatoria de calor en el mundo microsc\u00f3pico es uno de los principales obst\u00e1culos para el avance de la nanotecnolog\u00eda. A medida que los nanodispositivos se van volviendo cada vez m\u00e1s peque\u00f1os y m\u00e1s complejos, elaborados con piezas de tama\u00f1o comparable al de las mol\u00e9culas o incluso el de los \u00e1tomos, el riesgo de que generen peligrosas fluctuaciones cu\u00e1nticas durante su funcionamiento aumentar\u00e1. Estas fluctuaciones son abruptas e imprevisibles variaciones de energ\u00eda regidas por las leyes probabil\u00edsticas de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, con potencial para da\u00f1ar los nanomecanismos. Un grupo de f\u00edsicos brasile\u00f1os encabezado por Roberto Serra, docente de la Universidad Federal del ABC (UFABC), present\u00f3 en un art\u00edculo publicado a comienzos de diciembre en Physical Review Letters<\/em> una t\u00e9cnica capaz de atenuar la producci\u00f3n de dichas fluctuaciones de calor a nivel subat\u00f3mico.<\/p>\n

Las fluctuaciones de energ\u00eda y de calor microsc\u00f3picas perjudicar\u00edan a las nanom\u00e1quinas de manera parecida a lo que el calentamiento excesivo y descontrolado puede provocar en un motor macrosc\u00f3pico convencional, como el de un coche. Durante la Revoluci\u00f3n Industrial, una de las motivaciones de los cient\u00edficos del siglo XIX para desarrollar la termodin\u00e1mica cl\u00e1sica \u2013el \u00e1rea de la f\u00edsica que estableci\u00f3 de qu\u00e9 manera la energ\u00eda en forma de calor se convierte en energ\u00eda mec\u00e1nica y viceversa\u2013 consisti\u00f3 en entender el funcionamiento de las v\u00e1lvulas de presi\u00f3n y los refrigeradores, dispositivos que volvieron m\u00e1s seguro y eficiente el funcionamiento de los motores de vapor y de combusti\u00f3n interna. Anticipando avances en la nanotecnolog\u00eda, Serra y sus colegas forman parte de una comunidad de f\u00edsicos que viene desarrollando una teor\u00eda m\u00e1s general y detallada de la termodin\u00e1mica: la llamada termodin\u00e1mica cu\u00e1ntica fuera del equilibrio, que podr\u00e1 asegurar el funcionamiento eficiente de dispositivos a escala molecular y at\u00f3mica, que es donde los efectos cu\u00e1nticos se hacen presentes.<\/p>\n

Para desarrollar una nueva t\u00e9cnica de control, Serra y sus colegas se inspiraron en el \u201cdemonio de Maxwell\u201d, un ser fant\u00e1stico imaginado por el f\u00edsico y matem\u00e1tico escoc\u00e9s James Clerk Maxwell (1831-1879). Maxwell fue uno de los primeros que entendi\u00f3 que la temperatura de un determinado volumen de gas depende de la velocidad media con la que se mueven las mol\u00e9culas que lo componen. Cuanto m\u00e1s veloces son sus mol\u00e9culas, m\u00e1s caliente est\u00e1 el gas. En una carta datada en 1867 y remitida a su colega Peter Tait, Maxwell imagin\u00f3 un ser microsc\u00f3pico e inteligente, capaz de medir y registrar las velocidades de todas las mol\u00e9culas del gas. En ese experimento mental, dicho ser controlaba un grifo separando dos recipientes iguales, ambos conteniendo un gas mantenido a la misma temperatura. Abriendo y cerrando el grifo r\u00e1pidamente, la criatura separar\u00eda las mol\u00e9culas de gas, dejando a las menos veloces que el promedio \u2013y por ende m\u00e1s fr\u00edas\u2013 en uno de los recipientes y a las m\u00e1s ligeras en el otro.<\/p>\n

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Darling & Hulburt, American Journal of Physics, 23-7, 1955<\/span><\/a> En un art\u00edculo publicado en 1955 en American Journal of Physics<\/em>, la figura imaginaria controla el flujo de las mol\u00e9culas de gas desde el exterior de los recipientesDarling & Hulburt, American Journal of Physics, 23-7, 1955<\/span><\/p><\/div>\n

Pecado termodin\u00e1mico<\/strong>
\nEn un art\u00edculo publicado en la revista Nature<\/em> en 1874, el f\u00edsico irland\u00e9s William Thomson, m\u00e1s conocido como Lord Kelvin, bautiz\u00f3 a ese ser inteligente como demonio, para enfatizar que esta criatura, al calentar el gas de un recipiente al tiempo que enfriaba el del otro comet\u00eda el pecado de violar la segunda ley de la termodin\u00e1mica.<\/p>\n

Esta ley afirma que un cuerpo aislado \u2012o un conjunto de cuerpos aislados\u2012 posee una propiedad llamada entrop\u00eda, que siempre tiende a aumentar con el tiempo. Para un conjunto de part\u00edculas, la entrop\u00eda es la cantidad posible de ordenamientos entre todas ellas en una determinada situaci\u00f3n.<\/p>\n

Al ordenar las mol\u00e9culas de gas seg\u00fan su velocidad, el demonio estar\u00eda disminuyendo el n\u00famero de ordenamientos posibles del sistema, y por ende, reduciendo su entrop\u00eda. Despu\u00e9s del art\u00edculo de Thomson, perdur\u00f3 entre los f\u00edsicos la duda: \u00bfser\u00eda ese demonio una mera fantas\u00eda o ese experimento mental apuntar\u00eda una falla en la comprensi\u00f3n de las leyes de la termodin\u00e1mica?<\/p>\n

M\u00e1s de un siglo despu\u00e9s, en 1982, el f\u00edsico estadounidense Charles Bennett, en ese entonces investigador de la empresa IBM, entendi\u00f3 que, para funcionar en la pr\u00e1ctica, el demonio de Maxwell deber\u00eda grabar la informaci\u00f3n de la velocidad de las mol\u00e9culas del gas en un sustrato f\u00edsico, como los bits de la memoria de una computadora. Sucede que escribir y borrar datos en una memoria es una tarea imposible de realizar sin generar calor, algo descubierto a\u00f1os antes por Rolf Landauer, otro investigador de IBM. Y la generaci\u00f3n de calor siempre aumenta la entrop\u00eda.<\/p>\n

Cuando se eval\u00faa el aumento y la disminuci\u00f3n de calor en las dos etapas de este proceso, se verifica que la segunda ley de la termodin\u00e1mica nunca es violada: el demonio puede disminuir la entrop\u00eda en el interior de los recipientes del gas al seleccionar las mol\u00e9culas, pero el calor generado para registrar la velocidad de las mismas en la memoria incrementa mucho m\u00e1s la entrop\u00eda del sector externo de los recipientes. Los c\u00e1lculos demostraron que la criatura sobrenatural de Maxwell obedec\u00eda a todas las leyes de la f\u00edsica y que su funci\u00f3n podr\u00eda estar a cargo, en la pr\u00e1ctica, de un mecanismo autom\u00e1tico, controlado por la memoria de una computadora.<\/p>\n

Desde entonces, los cient\u00edficos han creado en laboratorio mecanismos similares al imaginado por Maxwell, y cada vez menores. El trabajo actual de Serra y sus colaboradores es el primero en el cual se proyecta un demonio de Maxwell completamente cu\u00e1ntico. En un laboratorio del Centro Brasile\u00f1o de Investigaciones F\u00edsicas (CBPF), en R\u00edo de Janeiro, los investigadores dispararon un pulso de ondas electromagn\u00e9ticas contra una soluci\u00f3n de mol\u00e9culas de cloroformo: cada una de \u00e9stas est\u00e1 formada por un \u00e1tomo de carbono, uno de hidr\u00f3geno y tres de cloro (CHCl3<\/sub>). El pulso se ajustaba para provocar fluctuaciones cu\u00e1nticas en la energ\u00eda de los n\u00facleos de los \u00e1tomos de carbono de las mol\u00e9culas. Simult\u00e1neamente, los f\u00edsicos emitieron ondas electromagn\u00e9ticas adicionales con el objetivo de ajustar la interacci\u00f3n entre el n\u00facleo de carbono de cada mol\u00e9cula con su n\u00facleo de hidr\u00f3geno.<\/p>\n

Los investigadores lograron usar el n\u00facleo de hidr\u00f3geno como un demonio de Maxwell que almacenaba informaci\u00f3n sobre el estado del n\u00facleo de carbono. Dependiendo del nivel de energ\u00eda del mismo, el n\u00facleo de hidr\u00f3geno actuaba y restring\u00eda las fluctuaciones energ\u00e9ticas del vecino. La acci\u00f3n de los n\u00facleos de hidr\u00f3geno hizo que las fluctuaciones de energ\u00eda de los n\u00facleos de carbono ocurrieran de manera tal de producir el m\u00ednimo de entrop\u00eda posible. \u201cProyectamos este proceso mediante el empleo de una ecuaci\u00f3n matem\u00e1tica que dedujimos, relacionando informaci\u00f3n, entrop\u00eda y energ\u00eda\u201d, dice Serra. \u201cLa ecuaci\u00f3n es muy general y podr\u00eda aplicarse a cualquier sistema cu\u00e1ntico: con electrones y fotones, no s\u00f3lo con n\u00facleos at\u00f3micos.\u201d<\/p>\n

\u201cEs un trabajo apasionante\u201d, comenta Vlatko Vedral, f\u00edsico de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, quien particip\u00f3 en un experimento realizado en 2016 en el cual se usaron haces de l\u00e1ser para producir un demonio de Maxwell. \u201cProbaron una f\u00f3rmula que describe la producci\u00f3n de entrop\u00eda en sistemas cu\u00e1nticos y en condiciones gen\u00e9ricas. A\u00fan no est\u00e1 claro por qu\u00e9 la entrop\u00eda del Universo debe aumentar siempre, y este abordaje puede ayudar a entender los or\u00edgenes de la segunda ley de la termodin\u00e1mica.\u201d<\/p>\n

Proyecto
\nInstituto Nacional de Ciencia y Tecnolog\u00eda en Informaci\u00f3n Cu\u00e1ntica (n\u00ba 2008\/57856-6<\/a>); Modalidad<\/strong> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador responsable<\/strong> Amir Caldeira (Unicamp); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.977,654,30 (para todo el proyecto).<\/p>\n

Art\u00edculo cient\u00edfico<\/em>
\nCAMATI, P. A. et al.<\/em> Experimental rectification of entropy production by Maxwell\u2019s demon in a quantum system<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>. v. 117. p. 240502. 5 dic. 2016.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Cient\u00edficos brasile\u00f1os controlan el calor que generan los 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-249622","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\/249622","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=249622"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/249622\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=249622"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=249622"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=249622"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=249622"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}