Los físicos han demostrado que incluso pequeñas piezas de metal pueden comportarse según las extrañas leyes de la mecánica cuántica, que existen en estados repartidos en múltiples posiciones simultáneamente. Un nuevo estudio publicado en la naturalezaInvestigadores de la Universidad de Viena y de la Universidad de Duisburg-Essen han demostrado que las nanopartículas metálicas formadas por miles de átomos de sodio exhiben un comportamiento cuántico a pesar de ser mucho más grandes y pesadas que las partículas utilizadas habitualmente en este tipo de experimentos.
El logro representa una de las pruebas más poderosas hasta ahora de la mecánica cuántica en escalas cercanas al mundo macroscópico.
Comportamiento cuántico más allá de partículas diminutas
La física cuántica describe un mundo donde la materia puede comportarse como partícula y como onda. Los científicos han confirmado este comportamiento inusual en electrones, átomos y moléculas pequeñas mediante repetidos experimentos de interferencia y de doble rendija. Pero en la vida cotidiana, los objetos ordinarios como rocas, polvo o canicas siguen las leyes predecibles de la física clásica, permaneciendo en un lugar y moviéndose por caminos definidos.
Un equipo de investigación de Viena dirigido por Markus Arndt y Stefan Gerlich ha extendido por primera vez estos efectos cuánticos a nanopartículas metálicas mucho más grandes. Los grupos de sodio utilizados en el experimento midieron aproximadamente 8 nanómetros de ancho, una escala similar a la de los componentes de los transistores modernos. Cada grupo tenía una masa de más de 170.000 unidades de masa atómica, lo que los hacía más pesados que la mayoría de las proteínas.
Incluso a esa escala, las partículas todavía producen interferencia cuántica mensurable.
“Intuitivamente, uno esperaría que un metal tan grande se comportara como una partícula clásica”, dijo el autor principal y estudiante de doctorado Sebastián Pedalino. “Todavía interfiere, lo que demuestra que la mecánica cuántica es válida incluso a esta escala y que no se necesitan modelos alternativos”.
Creando un “grumo metálico de Schrödinger”.
Para realizar el experimento, los investigadores crearon grupos de sodio ultrafríos que contienen entre 5.000 y 10.000 átomos. Luego, las partículas viajaron a través de tres rejillas de difracción generadas por un rayo láser ultravioleta.
El primer rayo láser posicionó cada grupo con una precisión de aproximadamente 10 nm y colocó las partículas en una superposición cuántica, lo que significa que podrían seguir múltiples caminos a través del dispositivo simultáneamente. Como estos posibles caminos se superpusieron más adelante en el experimento, produjeron un patrón de interferencia rayado detectable que coincidía con las predicciones de la teoría cuántica.
Los resultados indicaron que las partículas no ocuparon una posición fija durante su vuelo. En cambio, su estado cuántico se extiende sobre una región docenas de veces más grande que la propia partícula.
Los físicos describen estos estados como los estados del gato de Schrödinger, en referencia al famoso experimento mental del físico austriaco Erwin Schrödinger de un gato que está simultáneamente muerto y vivo hasta que es observado. En este caso, los investigadores describieron los grupos de metal como efectivamente “aquí y no aquí” al mismo tiempo.
Un experimento sin precedentes en mecánica cuántica
Klaus Hornberger (Universidad Essen de Duisburg), coautor del nuevo estudio, ha pasado las últimas dos décadas desarrollando la base teórica para dicha interferometría de campo cercano. Hornberger y Stefan Nimrichter (entonces Universidad de Viena) introdujeron por primera vez el concepto de macroscopicidad, una forma de comparar con qué intensidad diferentes experimentos ponen a prueba los límites de la mecánica cuántica.
La macroscopicidad permite a los científicos medir con qué eficacia los experimentos que involucran sistemas como nanoosciladores, interferómetros nucleares y resonadores nanoacústicos cancelan incluso las desviaciones más pequeñas de la teoría cuántica estándar.
En el nuevo experimento, el equipo logró un valor de macroscopicidad de μ = 15,5. Según los investigadores, esto es aproximadamente un orden de magnitud mayor que los experimentos anteriores en todo el mundo.
Para alcanzar el mismo nivel de precisión que los experimentos que utilizan electrones, los científicos necesitarían almacenar superposiciones cuánticas de electrones durante unos 100 millones de años. Las nanopartículas metálicas de Viena alcanzaron este punto de referencia en sólo una centésima de segundo.
Aplicaciones futuras y experimentos cuánticos más amplios.
Más allá de probar los fundamentos de la física, el trabajo podría ayudar a los investigadores a comprender por qué los efectos cuánticos dominan el mundo microscópico mientras que los objetos cotidianos parecen normales y clásicos.
El equipo planea investigar partículas más grandes y materiales adicionales en estudios futuros, lo que podría impulsar estos experimentos a otros órdenes de magnitud. Se espera que una infraestructura experimental mejorada y equipos mejorados permitan realizar mediciones más sensibles.
El interferómetro de Viena sirve como un sensor de fuerza de alta precisión capaz de detectar fuerzas tan pequeñas como 10-26 N. Los investigadores dicen que las versiones futuras podrían volverse aún más sensibles, abriendo la posibilidad de mediciones altamente precisas de propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas en nanopartículas aisladas. Estas capacidades podrían eventualmente respaldar nuevos avances en nanotecnología y detección de precisión.
El estudio fue realizado por investigadores de la Universidad de Viena, dirigidos por Markus Arndt y Stefan Görlich, en colaboración con Klaus Hornberger de la Universidad de Duisburg-Essen. Se publican los resultados la naturaleza.
El experimento fue financiado sustancialmente por:
- Subvención de la Fundación Der Gordon & Betty Moore GMBF10771
- Fondo de Promoción de la Investigación Científica, FWF, MUSCLE #32542-N
