Las pequeñas máquinas y diminutos robots que se ven hoy en películas de ciencia ficción o en documentales fantásticos en poco tiempo dejarán de ser puro producto de la imaginación de directores de cine y de efectos especiales. Están a la vuelta de la esquina. Hace décadas que se viene estudiando cómo manipular la materia a escala nano (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro). En este campo, Raúl Bustos Marún, de solo 37 años, publicó la semana pasada junto a investigadores de la Universidad Libre de Berlín (Alemania) y del Instituto Tecnológico de California (EE.UU.) un trabajo sobre “Motores Cuánticos Adiabáticos” (descargar aquí paper) que causó una gran repercusión en el campo científico: el artículo fue destacado en Physics, de la revista Physical Review Letter, la publicación científica en la cual todo físico sueña publicar.
Bustos Marún trabaja en el Instituto de Física Enrique Gaviola (UNC-CONICET) y acaba de llegar de Berlín, donde pasó un año allí realizando un pasantía de investigación. Conversamos con el científico de la UNC sobre su relevante trabajo:
¿Qué son los motores cuánticos?
Utilizamos la expresión “motores” en el mismo sentido que lo conocemos en la vida cotidiana. Aquí la diferencia es que estamos hablando de motores en una escala muy chica, manométrica y donde comienza a intervenir la mecánica cuántica. Un motor cuántico es algo muy chiquito que realiza un movimiento cíclico, es decir que luego de un cierto tiempo vuelve a donde comenzó.
¿Con qué partes puede estar hecho un motor cuántico?
Con moléculas y átomos, por ejemplo (ver aquí).
¿Y cómo se experimenta con algo tan pequeño?
Podemos pensar, por caso, en un motor cuántico que contiene una molécula que gira alrededor de un eje. Se han hecho experimentos como este: se introduce una molécula que contiene un átomo pegado a su superficie y dos “patas”, libres; así, la estructura puede girar sobre sí misma. Luego, se le ubica un microscopio de efecto túnel para hacerle pasar energía y el sistema gira. Esto ya puede ser considerado un motor. De hecho, en la naturaleza existen desde siempre motores biológicos a escala nano. Pero ahora, los queremos fabricar.
¿Qué diferencias físicas hay entre experimentar con un motor a una nanoescala y con uno a nivel macro, como lo hace cualquier mecánico?
Por un lado, aparecen fuerzas aleatorias, que en el mundo macroscópico no se verían. Un motor podría girar en una cierta dirección “en promedio”, pero cada tanto giraría en la dirección contraria. Por otro lado -y esto sí ya tiene que ver con la mecánica cuántica-, si se toma un motor como el que yo estudio, se debería tener en cuenta que este sistema estaría impulsado por una corriente de partículas que se mueven en una dirección, como si fuera el viento, pero en nuestro ejemplo serían electrones; lo cuales, según la física cuántica, se comportan como ondas y partículas al mismo tiempo. Esto trae “interferencias cuánticas”, que no las podemos ver en la física clásica. Por lo tanto, hay dos grandes diferencias en el mundo “nano”: las fuerzas aleatorias y las interferencias cuánticas.
¿Cómo se inserta el trabajo que publicaste en este campo?
Está muy vinculado con lo que se conoce como “bombas cuánticas”, que básicamente es generar un corriente cambiando algún parámetro. Se puede entender como un ventilador, un sistema que genera una corriente a partir de un movimiento y que está asociado a un motor. Lo que nosotros encontramos es que los motores cuánticos siempre tienen escondido dentro un proceso de bombeo cuántico asociado.
¿A qué se refieren con adiabáticos?
Hace referencia a que la velocidad del motor tiene que ser mucho más lenta que la velocidad de los electrones que están circulando. Es el límite “adiabático”. Nuestra teoría es válida en ese límite, fuera no sabemos qué pasa.
¿Cómo vuelven demostrable una teoría de matemática teórica?
Con fórmulas, modelos y otras teorías, que nos conducen a una conclusión. Es matemática.
¿Por qué crees que fue tan reconocido tu trabajo?
Hace por lo menos 20 años se viene estudiando sobre bombas cuánticas, tanto desde el punto de vista teórico como con experimentos o simulaciones. Hay mucho conocimiento, y nuestro trabajo permite reunir todo este saber sobre el bombeo cuántico y aplicarlo para crear un motor. Brinda una dirección nueva que hasta ahora no se había pensado. Permite sintetizar todas estas experiencias y darle un marco teórico.
¿En qué tipo de tecnologías se podrían traducir estas teorías sobre bombas y motores cuánticos?
En nanomáquinas. Todavía falta un poco, pero vamos en esa dirección. Serán robots, diminutas máquinas que podrán ingresar, por ejemplo, en el torrente sanguíneo de una persona para reparar una neurona o atacar un tumor. Todas estas máquinas requieren un nanomotor y la aplicación de teorías como la mecánica cuántica.
¿Qué es lo que falta saber para llegar a diseñar estas tecnologías?
Controlar la materia un poco más a esta escala. Pero no falta mucho. Hace algunos años se presentó un experimento que se le llamó nanoauto. Son cuatro moléculas más o menos redondas unidas por otra molécula y que funcionan como “ruedas”. Le aplican una diferencia de potencial (electricidad), las “ruedas” giran, y operan cada una como un nanomotor. Es, efectivamente, un nanoauto y funciona perfecto.