Existen 2.000 átomos en dos lugares a la vez en un experimento cuántico sin precedentes

octubre 6, 2019

Las moléculas gigantes pueden estar en dos lugares a la vez, gracias a física cuántica.

Eso es algo que los científicos han sabido por mucho tiempo que es teóricamente cierto basado en algunos hechos: cada partícula o grupo de partículas en el universo también es una onda, incluso partículas grandes, incluso bacterias, incluso seres humanos, incluso planetas y estrellas. Y las olas ocupan múltiples lugares en el espacio a la vez. Por lo tanto, cualquier fragmento de materia también puede ocupar dos lugares a la vez. Los físicos llaman a este fenómeno "superposición cuántica", y durante décadas lo han demostrado utilizando partículas pequeñas.

Pero en los últimos años, los físicos han ampliado sus experimentos, demostrando la superposición cuántica utilizando partículas cada vez más grandes. Ahora, en un artículo publicado el 23 de septiembre en la revista. Física de la naturaleza, un equipo internacional de investigadores ha causado que una molécula compuesta por hasta 2,000 átomos ocupe dos lugares al mismo tiempo.

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Para lograrlo, los investigadores construyeron una versión complicada y modernizada de una serie de famosos experimentos antiguos que primero demostraron la superposición cuántica.

Los investigadores sabían desde hace tiempo que la luz, disparada a través de una sábana con dos hendiduras, crearía un patrón de interferencia, o una serie de franjas claras y oscuras, en la pared detrás de la sábana. Pero la luz se entendía como una onda sin masa, no como algo hecho de partículas, por lo que esto no fue sorprendente. Sin embargo, en un serie de famosos experimentos En la década de 1920, los físicos demostraron que los electrones disparados a través de películas delgadas o cristales se comportarían de manera similar, formando patrones como la luz en la pared detrás del material difractor.

Si los electrones fueran simplemente partículas, y así pudieran ocupar solo un punto en el espacio a la vez, formarían dos tiras, aproximadamente la forma de las ranuras, en la pared detrás de la película o el cristal. Pero en cambio, los electrones golpean esa pared en patrones complejos que sugieren que los electrones habían interferido consigo mismos. Esa es una señal reveladora de una ola; en algunos puntos, los picos de las olas coinciden, creando regiones más brillantes, mientras que en otros lugares, los picos coinciden con los canales, por lo que los dos se cancelan entre sí y crean una región oscura. Debido a que los físicos ya sabían que los electrones tenían masa y definitivamente eran partículas, el experimento demostró que la materia actúa como partículas individuales y como ondas.

Una ilustración muestra cómo los electrones, partículas de materia, actúan como ondas cuando pasan a través de una lámina de doble rendija.

(Crédito de la imagen: Johannes Kalliauer / CC BY-SA 4.0)

Pero una cosa es crear un patrón de interferencia con electrones. Hacerlo con moléculas gigantes es mucho más complicado. Las moléculas más grandes tienen ondas menos fáciles de detectar, porque los objetos más masivos tienen longitudes de onda más cortas que pueden conducir a patrones de interferencia apenas perceptibles. Y estas partículas de 2.000 átomos tienen longitudes de onda más pequeñas que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno, por lo que su patrón de interferencia es mucho menos dramático.

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Para llevar a cabo el experimento de la doble rendija en busca de grandes cosas, los investigadores construyeron una máquina que podría disparar un haz de moléculas (cosas enormes llamadas "oligo-tetrafenilporfirinas enriquecidas con cadenas de fluoroalquilsulfanilo", algunas más de 25,000 veces la masa de un átomo de hidrógeno simple ) a través de una serie de rejillas y láminas con múltiples rendijas. El rayo tenía aproximadamente 6.5 pies (2 metros) de largo. Eso es lo suficientemente grande como para que los investigadores tuvieran que tener en cuenta factores como la gravedad y la rotación de la Tierra al diseñar el emisor del haz, escribieron los científicos en el documento. También mantuvieron las moléculas bastante calientes para un experimento de física cuántica, por lo que tuvieron que tener en cuenta el calor que empuja las partículas.

Pero aún así, cuando los investigadores encendieron la máquina, los detectores en el extremo más alejado del haz revelaron un patrón de interferencia. Las moléculas ocupaban múltiples puntos en el espacio a la vez.

Es un resultado emocionante, escribieron los investigadores, demostrando la interferencia cuántica a escalas más grandes que nunca antes se habían detectado.

"La próxima generación de experimentos de ondas de materia empujará la masa en un orden de magnitud", escribieron los autores.

Por lo tanto, se realizarán demostraciones aún más grandes de interferencia cuántica, aunque probablemente no sea posible dispararse a través de un interferómetro en el corto plazo. (En primer lugar, el vacío en la máquina probablemente te mataría). Nosotros, los seres gigantes, tendremos que sentarnos en un lugar y ver cómo las partículas se divierten.

Publicado originalmente en Ciencia viva.

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(Crédito de la imagen: revista All About Space)

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