La revolución de la física que creará “nuevos materiales que cambiarán el mundo"

Investigadores están muy cerca de conseguir controlar el comportamiento de las partículas elementales, un paso fundamental para crear nuevas recetas de materiales impensables a día de hoy

Científicos están investigando cómo crear nuevos materiales que "cambiarán el mundo" alterando las mismísimas partículas elementales que forman los átomos de todos los elementos. Para poder hacerlo, están usando superordenadores e inteligencia artificial para desarrollar la física con la que poder controlar el espín, el gran factor que afecta a la manera en la que los átomos se atraen o repelen para formar moléculas y que sólo ahora estamos empezando a comprender.

"Esa es una cuestión complicada", comenta en declaraciones para el Irish Times, el profesor Alessandro Lunghi, físico del Trinity College de Dublín y autor principal del descubrimiento. Según Lunghi, la capacidad de controlar el espín es crucial para que podamos “diseñar nuevos materiales avanzados que cambien el mundo". Pero controlar el espín de las partículas no es nada fácil porque es una característica se produce en el mundo subatómico, territorio gobernado por las complejas leyes de la física cuántica que dicen, por ejemplo, que las partículas pueden tener dos estados distintos al mismo tiempo o estar en diversos lugares a la vez.

Controlar el espín para crear nuevos materiales

"A principios del siglo XX, cuando se descubrió el espín, se le llamó espín [giro en inglés] porque la ecuación matemática que describía el comportamiento de esta propiedad de las partículas se parecía a la que describía también un cuerpo rígido clásico que giraba sobre sí mismo. La primera vez que la gente pudo oír hablar del espín en la escuela pudo ser cuando un profesor les pidió que imaginaran un electrón, una diminuta bola de carga eléctrica, girando sobre sí mismo, en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario", cuenta Lunghi. "Sabemos que esta descripción típica del espín está muy lejos de la realidad de lo que es el espín", señala Lunghi. "Sólo puede entenderse plenamente si se llega al fondo de la mecánica cuántica, pero es un punto de partida".

Cada partícula tiene su propio espín. Y dependiendo de su estado hará que se una a otros similares en fuertes enlaces químicos o que se repelan de manera irremediable. Pero para complicarlo un poco más, el espín es muy sensible y queda afectado fácilmente por las más pequeñas perturbaciones en su entorno que lo hacen cambiar de dirección.

Aun así, esta alta sensibilidad es también una ventaja para los investigadores que pueden usar esos cambios para crear sensores cuánticos como los que se usan para obtener una imágen por resonancia magnética. Como explica Lunghi, en la resonancia magnética se mide la tasa de conversión de un tipo de espín en otro, lo que proporciona los contrastes entre los distintos tejidos del cuerpo que se ven en las imágenes que generan.

"El espín es una propiedad muy emocionante y frágil de las partículas y se perturba con mucha facilidad", dice Lunghi. "Sin embargo, si tenemos algo que se perturba fácilmente por el entorno, podemos utilizarlo para detectar el propio entorno. Los átomos se tambalean y este movimiento atómico constante perturba el espín y eso es lo que intentamos combatir. Si logramos estabilizar el espín, se abre la puerta a un mundo de materiales nuevos y avanzados que podremos desarrollar en el futuro".

Superordenadores e inteligencia artificial al rescate

Para calcular el comportamiento de las partículas, los científicos utilizan la ecuación de Schrodinger, una compleja fórmula creada por el Nobel austriaco Erwin Schrödinger a mediados del siglo XX. Lunghi y su equipo han tenido acceso a los potentes superordenadores del Irish Centre for High-End Computing (ICHEC) para realizar esos cálculos tan complicados y comprender mejor el espín y cómo el movimiento molecular puede alterarlo.

Ahora los investigadores quieren utilizar la inteligencia artificial para examinar la pila de datos científicos que se han recogido durante décadas sobre las partículas y procesarlos de forma más eficiente. "Eso significa que en lugar de leer un número interminable de artículos científicos para tratar de dar con una 'receta' para nuevos materiales, utilizamos ordenadores para hacerlo. En mi laboratorio hemos empezado a desarrollar algoritmos que pueden conseguirlo y los primeros resultados son muy alentadores. Queremos estudiar el espín para acelerar el desarrollo de nuevos materiales", dice Lunghi, que junto a su equipo ha publicado los resultados de sus descubrimientos en la prestigiosa revista Science Advances. "Hay un número infinito de moléculas y compuestos que forman los materiales, que podemos producir en el laboratorio, pero queremos centrarnos en desarrollar los más prometedores y hacerlo más rápido".

Si llegamos a controlar el espín sería algo revolucionario en la física que abriría la puerta al diseño de un sinfín de nuevos materiales, pero también de sensores cuánticos, imanes o nuevos agentes de contraste para la resonancia magnética.

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