El mejor cubit, de momento

El espín de un electrón (con dos valores: hacia arriba o hacia abajo) constituye un cubit natural en un posible ordenador cuántico. Sin embargo, hay dos problemas principales que impiden que estos ordenadores sean ya una realidad: conservar la coherencia de fase de los cubits el tiempo necesario para poder realizar una secuencia de cálculos cuánticos y la capacidad de adaptar el proceso a escalas mayores.

Por ejemplo, los cubits hechos de átomos aislados presentan tiempos de coherencia largos, pero son difíciles de convertir en aparatos macroscópicos. Por otro lado, los cubits formados a partir de semiconductores pueden usarse sin problemas a grandes escalas, pero normalmente adolecen de tiempos de decoherencia altos.

Pero un grupo de investigación de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia), con Andrea Morello y Andrew Dzurak a la cabeza, ha combinado las ventajas de ambas estrategias fabricando un cubit basado en el espín electrónico de un solo átomo.

Representación de un cubit mediante la esfera de Bloch.

Normalmente un átomo de fósforo incorporado en una base de silicio dona un electrón que aumenta la conductividad eléctrica del Si, pero a temperaturas criogénicas el electrón queda atrapado alrededor del núcleo de P. El cubit formado por el espín del electrón puede mantener la coherencia gracias a un débil acoplamiento espín-órbita y a la casi ausencia de espín nuclear en la red de Si que lo rodea.

Una vez colocado el P en un chip de Si, los investigadores colocaron un transistor para inicializar y leer el estado de espín del cubit. Entre esas operaciones, utilizaron pulsos de microondas en resonancia con la frecuencia de transición del espín, para manipular de forma coherente el estado del cubit durante más de 200 μs; y este tiempo es suficientemente largo como para permitir más de 1000 operaciones con los cubits.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i11/p20_s1

Órdenes de enlace químico fraccionarios (II/II)

(Este artículo es continuación de Órdenes de enlace químico fraccionarios (I/II). Te recomiendo que lo leas primero).

El método de Leo Gross, Gerhard Meyer y sus colaboradores de IBM en Zúrich utiliza la microscopía de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés) para distinguir experimentalmente entre enlaces de diferente orden. Esta técnica es capaz de caracterizar los enlaces de dos formas: a través de diferencias en la densidad electrónica y mediante diferencias en la longitud del enlace.

Para evitar que el proceso de medida afectara a las moléculas, el equipo acopló una sola molécula de monóxido de carbono a la punta de cobre del microscopio, creando así una punta de escala atómica bien definida y químicamente inerte. Además, tomaron las medidas en un régimen en el que las fuerzas repulsivas debidas al principio de exclusión de Pauli dominaban sobre las fuerzas de van der Waals y las electrostáticas.

Usaron diferentes alturas de la punta del AFM: 3,6 Å y 3,4 Å. Y, en efecto, encontraron que los enlaces hexágono-hexágono eran más brillantes (es decir, más ricos en electrones) que los enlaces hexágono-pentágono. La diferencia era más clara con las puntas de alturas mayores.

Fullereno, con forma de balón de fútbol.
(Modelo creado por Michael Ströck (mstroeck)
el 6 de febrero de 2006 en iMol para Mac OS X y
Photoshop CS2. Publicado bajo licencia GFDL)

Pero con las alturas menores encontraron algo inesperado. Se sabe que los enlaces de mayor orden hexágono-hexágono son más cortos que los de menor orden hexágono-pentágono; pero la diferencia real (unos 0,07 Å) sería prácticamente invisible en una imagen de AFM, incluso a las resoluciones a las que trabajaba el equipo. No obstante, debido a que la imagen tomada presentaba distorsión, la diferencia de longitud de los enlaces aparecía como diez veces su valor real, permitiendo así la confirmación experimental de este resultado teórico.

Hasta ahora, los investigadores de IBM sólo han mirado enlaces paralelos a la superficie de su sustrato, lo que hace que esta técnica sea especialmente apropiada para estudiar defectos en la estructura plana del grafeno. El siguiente paso sería aplicarlo a moléculas mayoritariamente planas, pero con algunos picos y valles. Sin embargo, esta técnica siempre estaría limitada a explorar los enlaces en la superficie de una molécula; los que se encuentren dentro de una estructura tridimensional estarían fuera de su alcance.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i11/p14_s1

Órdenes de enlace químico fraccionarios (I/II)

En su forma más simple, los enlaces químicos covalentes entre átomos aparecen en variedades sencillas, dobles y triples, dependiendo de cuántos pares de electrones comparten los átomos. Pero cuando los pares de electrones se extienden entre varios átomos, los enlaces pueden tomar un orden fraccional, a medio camino entre sencillos y dobles. Por ejemplo, la estructura del benceno se puede representar de dos formas diferentes como un anillo de enlaces sencillos y dobles alternados. Pero la estructura real es un cruce entre las dos, en la que cada enlace tiene orden 1,5.

Benceno representado de diversas formas.

Los pares de electrones no siempre se distribuyen uniformemente entre todos los átomos que los comparten. En el fullereno C₆₀ (que tiene forma de balón de fútbol), cada enlace carbono-carbono tiene también un orden fraccional entre 1 y 2. Pero, a diferencia del benceno, no todos los enlaces del C₆₀ son equivalentes. La teoría predice fácilmente que un enlace compartido por dos de las facetas hexagonales del fullereno deberían tener un orden ligeramente mayor (0,16 pares más de electrones) que un enlace compartido por un hexágono y un pentágono.

En el caso del C₆₀, esta predicción teórica se puede verificar experimentalmente. Los enlaces de mayor orden son más cortos que los de menor orden, y los patrones de difracción de rayos X de los cristales de C₆₀ revelan esa diferencia en longitud entre los enlaces de hexágono-hexágono y los de hexágono-pentágono. Necesitamos, sin embargo, más precisión para probar totalmente la teoría.

Pero los experimentos de difracción de mayor precisión prácticamente están restringidos a moléculas que pueden cristalizar. Para las moléculas que no pueden llevarse a forma cristalina, o para estructuras que son intrínsecamente únicas (como un defecto en una lámina de grafeno o una molécula en una reacción química desconocida), tales experimentos tienen un uso limitado.

Afortunadamente, esto no es el fin de la historia, ya que Leo Gross, Gerhard Meyer y sus colaboradores descubrieron otra forma de ahondar en el conocimiento de los enlaces fraccionarios. Podrás leerlo en la segunda parte de este artículo.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i11/p14_s1

El sonido de los compuestos químicos

La capacidad de detectar e identificar compuestos gaseosos de forma rápida y precisa tiene muchas aplicaciones, como el control de la polución en tiempo real o la detección de armas químicas en el campo de batalla. Un método sensible que suele usarse para medir un gas traza es la espectroscopia fotoacústica con láser (LPAS por sus siglas en inglés). En la LPAS, la absorción de luz láser por una muestra genera calor local, que a su vez produce ondas acústicas; estas ondas se pueden detectar con un micrófono y analizarse.

Ahora Kristan Gurton y sus colaboradores han demostrado un modo de extender la LPAS a múltiples señales de absorción, lo que permite la detección de una especie de gas concreta en tiempo real. La mayor disponibilidad de láseres (en especial, láseres de cascada cuántica) en la zona espectralmente rica del infrarrojo medio, facilita la realización de este nuevo método.

Los investigadores llenaron una celda fotoacústica con el gas que se quería analizar y después lo iluminaron con tres láseres de diferentes longitudes de onda simultáneamente. Mediante la modulación de cada láser a una frecuencia diferente, Gurton y compañía pudieron separar a partir de la señal del micrófono la absorción da cada longitud de onda del láser. Las ratios de las señales de absorción dan lugar a medidas que son independientes de la concentración.

Se hicieron diversas pruebas con diferentes concentraciones de distintos compuestos (acetona, alcohol isopropílico y cinco gases nerviosos) y comprobaron que el método distinguía claramente todos los compuestos salvo dos de las especies, con una sensibilidad de partes por millón.

Si se añadieran más láseres a diferentes longitudes de onda, se podrían distinguir las especies todavía mejor. Los investigadores piensan que un aparato suficientemente resistente para un uso sobre el terreno podría tener el tamaño de un cartón de leche. Un buen tamaño para sustituir la tableta y disfrutar de la música de los gases del entorno.

Escuchando a la acetona. (Autor: Ben Mills, Benjah-bmm27)

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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i10/p20_s2

Las ondas cerebrales revelan tu pasado (II/II)

(Este artículo es continuación de Las ondas cerebrales revelan tu pasado (I/II). Te recomiendo que lo leas primero). 

Para probar su hipótesis, utilizaron voluntarios que realizaron un ejercicio de entrenamiento que activaba claramente una red bien definida de neuronas de la corteza cerebral. La actividad cerebral de los sujetos se monitorizaba usando un escáner de imagen por resonancia magnética funcional (IRMf) antes, inmediatamente después y 24 horas después del ejercicio de entrenamiento, para ver si la actividad afectaba de alguna forma al patrón de ondas cerebrales de reposo.

El efecto del día después de la activación cerebral: La imagen
del fondo muestra patrones espontáneos (o de reposo) antes
de la sesión de entrenamiento. La imagen de delante presenta
patrones espontáneos un día después de la sesión, lo que ilustra
el efecto a largo plazo del entrenamiento. Foto: Weizmann
Institute of Science, a través de technewsdaily.com.

Los investigadores se sorprendieron al encontrar que la experiencia de realizar la actividad de entrenamiento no solo cambió los patrones de las ondas en reposo justo después de que ocurriera, sino que en realidad reforzó nuevos enlaces entre neuronas incluso 24 horas más tarde.

El descubrimiento tiene implicaciones en la comprensión de la individualidad humana. Los patrones de las ondas cerebrales espontáneas no solo podrían mostrar información sobre sucesos recientes, sino que, si se monitoriza durante un tiempo, podría también revelar una especie de perfil personal del cerebro de esa persona. Por ejemplo, qué conexiones establece el cerebro fácilmente o cuáles le cuesta más hacer.

Podría demostrarse la veracidad o falsedad de las cosas que uno sospecha sobre sí mismo, mediante un mapa cerebral que mostrara las habilidades, deficiencias, preferencias y capacidad de aprendizaje. Estos perfiles individuales "imparciales" serían especialment últiles a la hora de diagnosticar o conocer las patologías cerebrales asociadas a una amplia gama de incapacidades cognitivas.
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Fuente:
http://www.technewsdaily.com/18428-brainwaves-reveal-secrets-of-your-past.html