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Una app transforma los espines de los átomos en 'gotas' para verlos mejor

Científicos de Alemania crean una forma sencilla de representar las interacciones cuánticas de los núcleos


Científicos de la Universidad Técnica de Múnich han diseñado una 'app' que representa gráficamente los espines nucleares de átomos de un sistema complejo, en forma de objetos parecidos a las gotas. En ellos se puede observar a simple vista las interacciones y entrelazamientos que se producen entre ellos. Por Carlos Gómez Abajo.


Carlos Gómez Abajo
Carlos Gómez Abajo, redactor de Tendencias21, es máster en periodismo (El País-UAM), Experto en... Saber más del autor


Representación en forma de gotas de los sistemas de espín. Imagen: Steffen Glaser. Fuente: TUM.
Representación en forma de gotas de los sistemas de espín. Imagen: Steffen Glaser. Fuente: TUM.
Las imágenes por tomografía de resonancia magnética (MRT) son una importante herramienta de diagnóstico. El contraste alcanzable depende de lo bien que puedan controlarse los espines nucleares que forman la base de las señales de imagen.

Matemáticamente, las propiedades de los espines nucleares se describen mediante matrices especiales. Ahora, un equipo dirigido por el profesor Steffen Glaser, de la Technische Universität München (TUM), ha desarrollado una representación gráfica intuitiva de la información contenida en estas matrices de espines acoplados en estados cuánticos arbitrarios.

Para ilustrar la creación, la deformación y la rotación de las correlaciones spin-spin bajo la influencia de campos magnéticos controlables en tiempo real, Steffen Glaser, junto con su hijo, ha desarrollado además una aplicación para teléfonos inteligentes y tabletas.

"Este programa proporciona acceso intuitivo y comprensible para al fascinante mundo de la teoría de control cuántico", señala. La app SpinDrops está disponible en la App Store.

El espín

Los átomos y sus componentes básicos se adhieren a las leyes de la física cuántica, que con frecuencia resultan incomprensibles. En nuestro mundo cotidiano, una pelota de tenis puede girar sobre su propio eje a cualquier velocidad arbitraria. Los espines nucleares, por el contrario, pueden girar solamente a una única velocidad fija, o bien a izquierdas o bien a derechas: su rotación está cuantizada.

Un grupo de trabajo dirigido por Glaser, del departamento de Química, está desarrollando procedimientos matemáticos para controlar el comportamiento de los espines nucleares de manera específica con la máxima eficiencia. Con el método desarrollado el grupo ya ha tenido éxito en la determinación del contraste óptimo para las imágenes MRT. Utilizando sus averiguaciones, el desarrollo de procesos de formación de imágenes puede llevarse más allá.

La resonancia magnética

Para futuras tecnologías de computación cuántica o tecnologías como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear -una de las herramientas analíticas más importantes de la química moderna-, una mejor comprensión del control óptimo de los espines acoplados es esencial. Los espines acoplados pueden influirse entre sí, dando lugar a efectos aún más complejos.

Por ejemplo, existe un fenómeno conocido como superposición en el mundo cuántico. Transferido a nuestro mundo cotidiano, esto significaría que los espines nucleares pueden girar tanto a la derecha como a la izquierda al mismo tiempo. El entrelazamiento de estados cuánticos es un ejemplo más. Einstein se refirió a este efecto como "acción fantasmal a distancia". Sin embargo, esta "spookiness" tiene un gran potencial técnico, que va desde las mediciones de precisión hasta la transmisión de datos segura.

Una imagen, mil palabras

Las propiedades cuánticas de los espines nucleares acoplados se describen matemáticamente utilizando las llamadas matrices de densidad. "Son las columnas de números abstractos que requieren mucha experiencia para entenderlos", dice Glaser, en la nota de prensa de la universidad. Ahora Glaser ha creado una herramienta de visualización que transforma estas matrices en imágenes descriptivas.

El denominado proceso DROPS (Representación Discreta de los Operadores para los Sistemas de Espín) asigna la matriz de densidad a objetos de tres dimensionales parecidos a las gotas, que reflejan todas las interacciones de la mecánica cuántica y los entrelazamientos entre los espines en un momento dado.

Intrínseco

El espín (del inglés spin, giro, girar) o momento angular intrínseco se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. El espín fue introducido en 1925.

Dos físicos, por separado, descubrieron que, si bien, la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectros atómicos, añadiendo un número cuántico adicional, el "número cuántico de espín", se lograba dar una explicación más completa de los espectros atómicos. Pronto, el concepto de espín se amplió a todas las partículas subatómicas, incluidos los protones, los neutrones y las antipartículas.

Referencia bibliográfica:

M. Lapert, Y. Zhang, M. A. Janich, S. J. Glaser, D. Sugny: Exploring the Physical Limits of Saturation Contrast in Magnetic Resonance Imaging. Scientific Reports (2012). DOI: 10.1038/srep00589.


Lunes, 8 de Junio 2015
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