La propulsión y la navegación de los átomos

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.

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• UIUC