Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Programa 2016-17
Manifestación de fenómenos cuánticos en química mesoscópica: descripción y condiciones de su permanencia
Resumen de la conferencia por:

Jesús Santamaría Antonio
Doctor en Ciencias Químicas (1974) y Catedrático de Química Física desde 1983. Becario Fulbright en la Universidad de California Irvine (1975-77) y becario NATO en la Universidad de Cornell (1984). Profesor visitante en las Universidades de Cornell (1980-87), UC Londres (1989) e Irvine (1990-91). Ha participado en proyectos y redes internacionales: NSF (1980-83), C. C. Hispano-Norteamericano (1985-88), varias Acciones integradas (1989-96), Redes ULTRA (2000-03) y DYNA (2005-10) de la ESF, Doctorado europeo Florencia-UCM (2005-11). Su investigación se centra en estudios teóricos de Dinámica Molecular de procesos químicos ultrarrápidos, en particular en presencia de campos láser pulsados (Femtoquímica). Ha sido Secretario de la RSE de Química (1983-86), Decano de la Facultad de Ciencias Químicas de la UCM (1998-2006), miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia (2005-11) y ha coorganizado dos congresos internacionales en Femtoquímica (Femto5, Toledo 2001, y Femto10, Madrid 2011). Académico Numerario y Secretario General de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
 
El análisis cuántico de la estructura electrónico-nuclear en moléculas (Química Cuántica) nos proporciona mediante la aproximación Born-Oppenheimer, las ideas de: superficie de energía potencial, base de la estructura y estabilidad de las moléculas; orbitales moleculares, que explican la espectroscopía y dinámica de ellas; y fuerzas de van der Waals, que originan los estados de agregación. En esa descripción, los procesos y reacciones químicas se pueden interpretar en términos de movimientos clásicos de átomos sobre una superficie de potencial, es decir la Mecánica Cuántica aparece sólo implícitamente como trasfondo básico.

Los efectos cuánticos: discretización (material y energética), coherencia (consecuencia directa del principio básico de superposición), entrelazamiento (correlación cuántica cuando el principio de superposición se extiende a varios objetos o propiedades) y estadística cuántica (el espín de partículas idénticas determina su comportamiento estadístico en un colectivo), son difíciles de observar en un sistema de muchas partículas y a temperatura ambiente, debido a varios motivos: argumento cinemático (el valor minúsculo de la constante de Planck ɦ da una longitud de onda de De Broglie muy pequeña y decreciente con la masa); argumento del promedio de fase (el desfase entre longitudes de onda pequeñas en medios fluctuantes en densidad, temperatura, entorno químico, campos externos, etc. se convierte en estocástico alterando las condiciones de interferencia constructiva y destructiva), y finalmente el argumento de pérdida de coherencia (el sistema, debido a la interacción con el medio, no es capaz de mantener la información asociada al entrelazamiento cuántico, desapareciendo las correlaciones entre estados). Estos argumentos implican solamente una reducción gradual de la observabilidad de fenómenos cuánticos y nunca un cambio cualitativo brusco, por lo cual es posible observarlos en tamaños de muestra reducidos, a temperaturas bajas y en condiciones de aislamiento, cosa que ocurre en los sistemas condensados mesoscópicos. En estos sistemas la longitud de coherencia cuántica es mayor que el tamaño de la muestra, y ésta mayor que el recorrido libre medio y la λ de Fermi, y además los tiempos de coherencia (generalmente del orden del picosegundo) son menores que el tiempo térmico (ɦ/kBT) y el tiempo entre colisiones (decenas de ps).

En Física son bien conocidos los fenómenos superconductividad, condensados de Bose-Einstein, magnetorresistencia gigante, localización de Anderson cuántica, átomos fríos en redes ópticas, iones atrapados, etc. En Química también aparecen fenómenos cuánticos en sistemas mesoscópicos, en rangos de tamaño de centenas de nanómetros, y tiempos en general menores que el picosegundo: 1) Fluorescencia de pulsos, IVR (relajación vibracional intramolecular) y fotoisomerización en moléculas pigmento; 2) Transferencia túnel de electrones (en procesos redox) y protones (en catálisis enzimática); 3)Transferencia de energía coherente en agregados macromoleculares (procesos de visión y fotosíntesis); 4) Control coherente activo de la dinámica molecular; 5) Magnetorrecepción por pares de radicales en criptocromos de proteínas (brújula de aves migratorias); etc.

En esta comunicación de describirán ejemplos de estos fenómenos y se discutirán las condiciones de permanencia y optimización de los efectos cuánticos que los producen.