Por primera vez en la historia, físicos han capturado una imagen clara de átomos individuales comportándose como una onda.
La imagen muestra átomos de litio enfriados a casi cero absoluto, apareciendo como puntos rojos en la imagen. Al combinar varias de estas imágenes, los autores pudieron observar cómo los átomos se comportaban como ondas. Crédito: Verstraten et al.
La imagen muestra puntos rojos nítidos y fluorescentes que se transforman en manchas borrosas de paquetes de ondas, en una demostración sorprendente de la idea de que los átomos existen como partículas y ondas a la vez —uno de los pilares de la mecánica cuántica—.
«La naturaleza ondulatoria de la materia sigue siendo uno de los aspectos más llamativos de la mecánica cuántica», escribieron los investigadores en el estudio publicado en el servidor de preimpresión arXiv.
Añaden que su nueva técnica de imagen podría utilizarse para estudiar sistemas más complejos, permitiendo comprender cuestiones fundamentales de la física.
Dualidad onda-partícula: una propiedad extraña pero real
La dualidad onda-partícula, propuesta por primera vez por el físico francés Louis de Broglie en 1924 y ampliada por Erwin Schrödinger dos años después, establece que todos los objetos cuánticos —y por tanto toda la materia— existen como partículas y ondas al mismo tiempo.
La famosa ecuación de Schrödinger se interpreta normalmente por los físicos como que los átomos existen como paquetes de probabilidad ondulatoria en el espacio, que luego se colapsan en partículas discretas al ser observados. Aunque parezca contradictoria, esta extraña propiedad del mundo cuántico se ha observado en numerosos experimentos.
Para visualizar esta difuminada dualidad, los físicos primero enfriaron átomos de litio a temperaturas cercanas al cero absoluto. Lo lograron bombardeándolos con fotones (partículas de luz) de un láser para robarles el impulso. Una vez enfriados, otros láseres los atraparon dentro de una red óptica como paquetes discretos.
Con los átomos enfriados y confinados, los investigadores activaron y desactivaron periódicamente la red óptica, haciendo que los átomos pasaran de un estado cercano a una partícula confinada a uno parecido a una onda, y viceversa.
Capturando la onda con luz
Una cámara microscópica registró la luz emitida por los átomos en el estado de partícula en dos momentos diferentes, con los átomos comportándose como ondas en el intermedio. Al juntar muchas imágenes, los autores reconstruyeron la forma de esta onda y observaron cómo se expandía con el tiempo, en perfecto acuerdo con la ecuación de Schrödinger.
Preparación e imagen in situ de paquetes de ondas de átomos individuales. Crédito: J. Verstraten et al.
«Este método de imagen consiste en volver a encender la red para proyectar cada paquete de ondas en una sola trampa para volverlos a convertir en partículas», dijo Tarik Yefsah, coautor del estudio y físico del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y la École normale supérieure en París. «Nuestro método de imagen puede verse como una forma de muestrear la densidad de la función de onda, algo similar a los píxeles de una cámara CCD».
Una cámara CCD es un tipo común de cámara digital que utiliza un dispositivo de acoplamiento de carga para capturar sus imágenes.
Los científicos dicen que esta imagen es solo una simple demostración. Su próximo paso será utilizarla para estudiar sistemas de átomos fuertemente interactivos que son menos comprendidos.
«Estudiar tales sistemas podría mejorar nuestra comprensión de estados extraños de la materia, como los que se encuentran en el núcleo de estrellas de neutrones extremadamente densas, o el plasma de quarks y gluones que se cree que existió poco después del Big Bang», concluyó Yefsah.
Fuente: arXiv. Edición: MP.
Impresionante imagen captura la transformación de átomos en ondas cuánticas