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Rompiendo la aproximación de Born-Oppenheimer: experimentos descubren un fenómeno cuántico teorizado durante mucho tiempo

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Rompiendo la aproximación de Born-Oppenheimer: experimentos descubren un fenómeno cuántico teorizado durante mucho tiempo

Una molécula que contiene dos átomos de platino absorbe un fotón y comienza a vibrar. La vibración permite que el giro electrónico de la molécula se invierta, lo que permite que el sistema cambie simultáneamente los estados electrónicos en un fenómeno llamado cruce entre sistemas. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne

Láseres y rayos X ultrarrápidos han revelado el acoplamiento entre la dinámica electrónica y nuclear de las moléculas.

Hace casi un siglo, los físicos Max Born y J. Robert Oppenheimer desarrollaron una hipótesis sobre cómo funciona la mecánica cuántica dentro de las moléculas. Estas moléculas están formadas por sistemas complejos de núcleos y electrones. La aproximación de Born-Oppenheimer postula que los movimientos de los núcleos y los electrones dentro de una molécula ocurren de forma independiente y pueden tratarse por separado.

Este modelo funciona la gran mayoría de las veces, pero los científicos están poniendo a prueba sus límites. Recientemente, un equipo de científicos demostró el fracaso de esta hipótesis en escalas de tiempo muy rápidas, revelando una estrecha relación entre la dinámica de los núcleos y los electrones. Este descubrimiento podría influir en el diseño de moléculas útiles para la conversión de energía solar, la generación de energía, la ciencia de la información cuántica y más.

El equipo, compuesto por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad Northwestern, la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Washington, publicó recientemente su descubrimiento en dos artículos relacionados en Naturaleza Y Edición internacional Angewandte Chemie.

«Nuestro trabajo revela la interacción entre la dinámica del espín de los electrones y la dinámica vibratoria de los núcleos de las moléculas en escalas de tiempo ultrarrápidas», dijo Shahnawaz Rafiq, investigador asociado de Northwestern University y primer autor de Naturaleza papel. «Estas propiedades no pueden tratarse de forma independiente: se mezclan y afectan la dinámica electrónica de formas complejas».

Un fenómeno llamado efecto vibrónico de espín ocurre cuando los cambios en el movimiento de los núcleos de una molécula afectan el movimiento de sus electrones. Cuando los núcleos vibran dentro de una molécula, ya sea debido a su energía intrínseca o debido a estímulos externos, como la luz, estas vibraciones pueden afectar el movimiento de sus electrones, lo que a su vez puede cambiar el espín de la molécula, una propiedad de la mecánica cuántica vinculada al magnetismo.

En un proceso llamado cruce entre sistemas, una molécula excitada o átomo cambia su estado electrónico invirtiendo la orientación de su espín electrónico. El cruce entre sistemas juega un papel importante en muchos procesos químicos, incluidos los de dispositivos fotovoltaicos, fotocatálisis e incluso animales bioluminiscentes. Para que este cruce sea posible, se requieren condiciones específicas y diferencias de energía entre los estados electrónicos involucrados.

Desde la década de 1960, los científicos han planteado la hipótesis de que el efecto vibrónico de espín podría desempeñar un papel en el cruce entre sistemas, pero observar directamente el fenómeno ha resultado difícil porque implica medir cambios en los estados electrónicos, vibratorios y de espín en objetos muy específicos. tiempos de respuesta rápidos.

“Usamos pulsos de láser ultracortos (hasta siete femtosegundos, o siete millonésimas de milmillonésima de segundo) para rastrear el movimiento de núcleos y electrones en tiempo real, lo que mostró cómo el efecto vibrónico del espín puede conducir al cruce entre sistemas. dijo Lin Chen, miembro distinguido de Argonne, profesor de química en la Universidad Northwestern y coautor correspondiente de ambos estudios. «Comprender la interacción entre el efecto vibrónico de espín y el cruce entre sistemas podría conducir a nuevas formas de controlar y explotar las propiedades electrónicas y de espín de las moléculas».

El equipo estudió cuatro sistemas moleculares únicos diseñados por Félix Castellano, profesor de Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor correspondiente de ambos estudios. Cada uno de los sistemas es similar al otro, pero contienen diferencias controladas y conocidas en sus estructuras. Esto permitió al equipo acceder a efectos cruzados entre sistemas y dinámicas vibratorias ligeramente diferentes para obtener una imagen más completa de la relación.

«Los cambios geométricos que diseñamos en estos sistemas provocaron que los puntos de cruce entre los estados excitados electrónicos que interactúan aparecieran con energías ligeramente diferentes y en diferentes condiciones», dijo Castellano. «Esto proporciona información sobre cómo ajustar y diseñar materiales para mejorar este cruce».

Inducido por el movimiento vibratorio, el efecto vibrónico de espín en las moléculas alteró el panorama energético dentro de las moléculas, aumentando la probabilidad y la tasa de cruce entre sistemas. El equipo también descubrió estados electrónicos intermedios clave que eran parte integral del funcionamiento del efecto vibrónico del espín.

Los resultados fueron predichos y reforzados por cálculos de dinámica cuántica realizados por Xiaosong Li, profesor de química de la Universidad de Washington. Universidad de Washington y científico de laboratorio en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE. «Estos experimentos mostraron una química muy clara y hermosa en tiempo real que coincidía con nuestras predicciones», dijo Li, autor del estudio publicado en Edición internacional Angewandte Chemie.

Los profundos conocimientos revelados por los experimentos representan un paso adelante en el diseño de moléculas capaces de explotar esta poderosa relación mecánico-cuántica. Esto podría resultar particularmente útil para células solares, mejores pantallas electrónicas e incluso tratamientos médicos que dependen de interacciones entre la luz y la materia.

Las referencias:

“La coherencia espín-vibrónica impulsa la conversión singlete-triplete” por Shahnawaz Rafiq, Nicholas P. Weingartz, Sarah Kromer, Felix N. Castellano y Lin X. Chen, 19 de julio de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06233-y

“Revelando trayectorias de estados excitados en superficies de energía potencial con resolución atómica en tiempo real” por Denis Leshchev, Andrew JS Valentine, Pyosang Kim, Alexis W. Mills, Subhangi Roy, Arnab Chakraborty, Elisa Biasin, Kristoffer Haldrup, Darren J. Hsu, Matthew S. Kirschner, Dolev Rimmerman, Matthieu Chollet, J. Michael Glownia, Tim B. van Driel, Felix N. Castellano, Xiaosong Li y Lin X. Chen, 28 de abril de 2023. Angewandte Chemie Edición Internacional.
DOI: 10.1002/anie.202304615

Ambos estudios fueron apoyados por la Oficina de Ciencias del DOE. EL Naturaleza El estudio fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias. Experiencias en el Angewandte Chemie Edición Internacional se llevaron a cabo en Linac Coherent Light Source en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE. Otros autores sobre el Naturaleza El estudio incluye a Nicholas P. Weingartz y Sarah Kromer. Otros autores del artículo publicado en Angewandte Chemie Edición Internacional incluyen a Denis Leshchev, Andrew JS Valentine, Pyosang Kim, Alexis W. Mills, Subhangi Roy, Arnab Chakraborty, Elisa Biasin, Kristoffer Haldrup, Darren J. Hsu, Matthew S. Kirschner, Dolev Rimmerman, Matthieu Chollet, J. Michael Glownia y Tim B. van Driel.

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Vístete para las estrellas: la nueva era de la moda espacial de SpaceX

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Vístete para las estrellas: la nueva era de la moda espacial de SpaceX

SpaceX no sólo está lanzando cohetes, sino que también está marcando el comienzo de una nueva era de espacio exploración con sus trajes de actividad extravehicular (EVA) de última generación.

Mientras nos encontramos en la cúspide de la primera caminata espacial privada en 2024, profundicemos en los detalles de este revolucionario equipo.

La moda se encuentra con la función en el espacio

Cerrando la brecha entre estilo y practicidad, SpaceX revelado la vestimenta de los astronautas que se embarcan en la histórica misión Polaris Dawn. Atrás quedaron los días de los trajes espaciales voluminosos y engorrosos. El nuevo traje EVA combina un diseño elegante con una funcionalidad avanzada.

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MÁS: CÓMO EL AVIÓN ESPACIAL DREAM CHASER PLANEA SACUDER LOS VIAJES ESPACIALES EN EL FUTURO

Desmentiendo los mitos sobre los trajes espaciales

La cultura popular a menudo nos engaña con representaciones demasiado simplistas de los trajes espaciales. A diferencia de los cascos tipo «pecera» y los trajes fáciles de usar que se ven en las películas, los trajes espaciales reales son naves espaciales complejas con forma humana. Están equipados con sistemas de propulsión y soporte vital, lo que los hace más parecidos a un equipo de buceo que a una vestimenta informal.

Una rara tormenta solar cautiva a los observadores de estrellas en todo Estados Unidos: '¡QUÉ IMPRESIONANTE!' »

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¿Por qué no conservar el disfraz antiguo?

Los actuales trajes de Actividad Intravehicular (IVA) de SpaceX sirven como protección de emergencia dentro de la cápsula Dragon. Sin embargo, no están diseñados para los rigores de los paseos espaciales. El nuevo traje EVA es una mejora significativa, ya que proporciona mayor movilidad, durabilidad y protección contra las duras condiciones del espacio.

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El traje EVA: una visión general

El traje EVA conserva el elegante diseño del modelo IVA pero introduce nuevos materiales y técnicas de fabricación para mejorar el rendimiento. El traje también es escalable, lo que garantiza un ajuste perfecto para una amplia gama de tipos de cuerpo.

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4 características que distinguen al traje EVA

1. Juntas giratorias: Para una movilidad inigualable bajo presión

2. Sellos y válvulas avanzadas: Proporcionar alta redundancia y seguridad

3. Casco impreso en 3D: Con visor antirreflejo, HUD y cámara

4. Textiles de gestión térmica: Tomado prestado de los cohetes Falcon para una protección extrema

La próxima misión Polaris Dawn pondrá a prueba las capacidades del traje EVA y preparará el escenario para futuras bases lunares y ciudades marcianas.

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Conclusiones clave de Kurt

Está claro que el traje EVA es más que un simple hilo conductor para las estrellas. Con la misión Polaris Dawn en el horizonte, no sólo nos estamos preparando para ver a los astronautas flotar con gracia fuera de su nave espacial. Nos estamos preparando para presenciar un momento crucial en la historia, donde la moda y la función se fusionan en el vacío del espacio, desacreditando mitos arraigados desde hace mucho tiempo y estableciendo nuevos estándares de lo que es posible.

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Mientras SpaceX se prepara para la primera caminata espacial privada con sus innovadores trajes EVA, ¿qué piensa sobre el impacto de estos avances tecnológicos en el futuro de la exploración espacial y la vida humana más allá de la Tierra? Háganos saber escribiéndonos a Cyberguy.com/Contacto.

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Boeing repara una pequeña fuga de helio en la nave espacial Starliner

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Boeing repara una pequeña fuga de helio en la nave espacial Starliner
Agrandar / Una vista aérea de la nave espacial Starliner de Boeing y el cohete Atlas V de United Launch Alliance dentro de la Instalación de Integración Vertical de la estación espacial en Cabo Cañaveral, Florida.

Boeing se está tomando unos días más para resolver una pequeña fuga de helio en la nave espacial Starliner que está programada para transportar a dos astronautas de la NASA para un vuelo de prueba a la Estación Espacial Internacional, dijeron funcionarios el martes.

Eso significa que el primer lanzamiento tripulado de la nave espacial Starliner de Boeing, con años de retraso y más de 1.400 millones de dólares por encima del presupuesto, no se llevará a cabo hasta el próximo martes 21 de mayo a las 4 p. m. EDT (8:43 p. m. UTC). El cumplimiento de este cronograma supone que los ingenieros puedan familiarizarse con la fuga de helio. Los funcionarios de Boeing y la NASA, que gestiona el contrato multimillonario de la tripulación comercial del Boeing Starliner, habían previsto previamente el viernes 17 de mayo para el primer lanzamiento de la nave espacial con astronautas a bordo.

El equipo de tierra de Boeing rastreó la fuga hasta una brida de un propulsor en el sistema de control de reacción único del módulo de servicio de la nave espacial.

Hay 28 propulsores del sistema de control de reacción (esencialmente pequeños motores de cohetes) en el módulo de servicio Starliner. En órbita, estos propulsores se utilizan para correcciones menores de trayectoria y para dirigir la nave espacial en la dirección correcta. El módulo de servicio tiene dos juegos de motores más potentes para ajustes orbitales más grandes y maniobras de aborto de lanzamiento.

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El sistema de propulsión de la nave espacial está presurizado con helio, un gas inerte. Los propulsores queman una mezcla tóxica de hidracina y tetróxido de nitrógeno. El helio no es combustible ni tóxico, por lo que una pequeña fuga probablemente no suponga un problema importante de seguridad en tierra, pero el sistema de propulsión debe mantener la presión para que los propulsores funcionen en el espacio.

Hasta ahora, múltiples contratiempos técnicos han impedido que el programa Starliner de Boeing llegue a este punto. Esos contratiempos incluyeron una fuga de combustible en un banco de pruebas, fallas de software durante el primer vuelo de prueba no tripulado de Starliner y válvulas corroídas en el sistema de propulsión de la nave espacial. A medida que se acercaba un intento de lanzamiento el verano pasado, Boeing y la NASA descubrieron otros dos problemas (material inflamable dentro de la cápsula y un eslabón débil en el sistema de paracaídas del Starliner) que retrasaron el vuelo de prueba de la tripulación durante casi un año.

Según la NASA, los ingenieros planean remediar la fuga de helio mediante «pruebas de naves espaciales y soluciones operativas». Es decir, los directivos no consideran la necesidad de reparar físicamente la fuga.

“Como parte de las pruebas, Boeing llevará el sistema de propulsión a presurización de vuelo como lo hace antes del lanzamiento, luego permitirá que el sistema de helio se ventile naturalmente para validar los datos existentes y reforzar la lógica de vuelo”, escribieron funcionarios de la NASA en un comunicado. publicación de blog el martes. La justificación del vuelo es el lenguaje que utiliza la NASA para ganar confianza al comprender un problema y sentirse seguro de que no representaría un riesgo adicional durante el vuelo.

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El cohete está listo para funcionar.

Un fallo de válvula en el cohete Atlas V que iba a lanzar la cápsula de tripulación Starliner de Boeing abortó el primer intento de lanzamiento del vuelo de prueba con tripulación el 6 de mayo en la estación espacial de Cabo Cañaveral, Florida. United Launch Alliance, la compañía que construye y opera el Atlas V, sacó el cohete y el Starliner de la plataforma de lanzamiento y los devolvió a un hangar la semana pasada para reemplazar la válvula de control de presión defectuosa del Atlas V.

Una vez instalada en el cohete, la nueva válvula funcionó normalmente durante las pruebas dentro del hangar de la ULA. La ULA devolverá el cohete a la plataforma de lanzamiento unos días antes del próximo intento de lanzamiento.

«Los equipos de la misión también llevaron a cabo una revisión exhaustiva de los datos del intento de lanzamiento del 6 de mayo y no están rastreando más problemas», dijo la NASA.

Los astronautas de la NASA Butch Wilmore y Suni Williams, comandante y piloto del vuelo de prueba Starliner, regresaron a su base en Houston para pasar más tiempo con sus familias y esperar la próxima fecha de lanzamiento de la misión. Regresarán al Centro Espacial Kennedy en Florida en los próximos días para los preparativos finales para el lanzamiento, dijo la NASA.

Wilmore y Williams, ambos pilotos de pruebas de la Marina de los EE. UU., supervisarán los sistemas de Starliner desde el lanzamiento hasta el acoplamiento a la Estación Espacial Internacional. Sus tareas incluyen tomar el control manual de la cápsula de la tripulación del Boeing para una serie de demostraciones de vuelo. Si todo va según lo planeado, pasarán al menos ocho días en la estación espacial antes de regresar a la Tierra a bordo de la nave espacial Starliner para un aterrizaje asistido por paracaídas y bolsas de aire en el suroeste de Estados Unidos, probablemente en White Sands, Nuevo México.

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Su estancia en la estación espacial podría prolongarse mientras esperan el buen tiempo en uno de los lugares de aterrizaje del Starliner. Con el próximo vuelo Starliner, Estados Unidos tendrá, por primera vez desde los albores de la era espacial, dos naves espaciales independientes con capacidad humana capaces de transportar personas a la órbita terrestre baja. Crew Dragon de SpaceX, que ganó un contrato de tripulación comercial con la NASA junto con Boeing en 2014, comenzó a transportar astronautas en 2020.

El contrato de tripulación comercial de la NASA con Boeing cubre seis vuelos operativos de rotación de tripulación hacia y desde la estación espacial. Un vuelo de prueba exitoso con Wilmore y Williams allanaría el camino para que Starliner realice la primera de estas misiones tripuladas de seis meses a principios del próximo año.

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Los átomos se han acercado más que nunca, revelando efectos cuánticos aparentemente imposibles

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Los átomos se han acercado más que nunca, revelando efectos cuánticos aparentemente imposibles

Los científicos han roto dos capas de átomos magnéticos ultrafríos a una distancia de 50 nanómetros entre sí (diez veces más cerca que en experimentos anteriores), revelando extraños efectos cuánticos nunca antes vistos.

La extrema proximidad de estos átomos permitirá a los investigadores estudiar por primera vez las interacciones cuánticas a esta escala de longitud y podría conducir a importantes avances en el desarrollo de superconductores y computadoras cuánticasinformaron los científicos en un nuevo estudio publicado el 2 de mayo en la revista Ciencia.

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