Observación directa de la mecánica cuántica a nivel atómico

Actualizado 20/05/2019 10:34:06 CET
Observación directa de la mecánica cuántica a nivel atómico
E. EDWARDS/JOINT QUANTUM INSTITUTE

   MADRID, 20 May. (EUROPA PRESS) -

   Físicos han demostrado una nueva forma de obtener los detalles esenciales que describen un sistema cuántico aislado, como un gas de átomos, a través de la observación directa.

   El nuevo método proporciona información sobre la probabilidad de encontrar átomos en ubicaciones específicas del sistema con una resolución espacial sin precedentes. Con esta técnica, los científicos pueden obtener detalles en una escala de decenas de nanómetros, más pequeños que el ancho de un virus.

   Los experimentos realizados en el Joint Quantum Institute (JQI), una asociación de investigación entre el NIST (National Institute of Standards and Technology) y la Universidad de Maryland, utilizan una red óptica (una red de luz láser que suspende miles de átomos individuales) para determinar la probabilidad de que un átomo pueda estar en cualquier ubicación dada. Debido a que cada átomo individual en la red se comporta como todos los demás, una medición en todo el grupo de átomos revela la probabilidad de que un átomo individual esté en un punto particular en el espacio.

   Publicada en la revista Physical Review X, la técnica JQI (y una técnica similar publicada simultáneamente por un grupo en la Universidad de Chicago) puede dar la posibilidad de que las ubicaciones de los átomos se encuentren muy por debajo de la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar los átomos --50 veces mejor que el límite de lo que normalmente puede resolver la microscopía óptica--.

   "Es una demostración de nuestra capacidad para observar la mecánica cuántica", dijo en un comunicado Trey Porto de JQI, uno de los físicos detrás del esfuerzo de investigación. "No se había hecho con átomos con precisión cercana a esta".

   Para entender un sistema cuántico, los físicos hablan frecuentemente sobre su "función de onda". No es solo un detalle importante; es toda la historia. Contiene toda la información que necesita para describir el sistema.

   "Es la descripción del sistema", dijo el físico Steve Rolston de JQI, otro de los autores del artículo. "Si tiene la información de la función de onda, puede calcular todo lo demás al respecto, como el magnetismo del objeto, su conductividad y su probabilidad de emitir o absorber luz".

   Si bien la función de onda es una expresión matemática y no un objeto físico, el nuevo método puede revelar el comportamiento que describe la función de onda: las probabilidades de que un sistema cuántico se comporte de una manera u otra. En el mundo de la mecánica cuántica, la probabilidad lo es todo.

   Como la función de onda solo describe un conjunto de probabilidades, ¿cómo pueden los físicos obtener una imagen completa de sus efectos en poco tiempo? El enfoque del equipo consiste en medir un gran número de sistemas cuánticos idénticos al mismo tiempo y combinar los resultados en una imagen general. Es algo así como tirar 100.000 pares de dados al mismo tiempo: cada tirada da un resultado único y contribuye con un solo punto en la curva de probabilidad que muestra los valores de todos los dados.

   Lo que el equipo observó fueron las posiciones de los aproximadamente 100.000 átomos de iterbio que la red óptica suspende en sus láseres. Los átomos de iterbio están aislados de sus vecinos y restringidos a moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un segmento de línea unidimensional. Para obtener una imagen de alta resolución, el equipo encontró una manera de observar cortes estrechos de estos segmentos de línea y la frecuencia con la que cada átomo se mostraba en su segmento respectivo. Después de observar una región, el equipo midió otra, hasta que tuvo la imagen completa.

   Rolston dijo que si bien aún no ha pensado en una "aplicación asesina" que aproveche la técnica, el mero hecho de que el equipo haya creado una imagen directa de algo fundamental para la investigación cuántica lo fascina.

   "No es totalmente obvio dónde se usará, pero es una nueva técnica que ofrece nuevas oportunidades", dijo. "Hemos estado utilizando una red óptica para capturar átomos durante años, y ahora se ha convertido en un nuevo tipo de herramienta de medición".

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