Átomos de helio puestos en el mismo estado cuántico, comienzan a aparecer en el mismo lugar

Átomos de helio puestos en el mismo estado cuántico, comienzan a aparecer en el mismo lugar

Átomos de helio puestos en el mismo estado cuántico, comienzan a aparecer en el mismo lugar

Universidad de Sheffield

La mecánica cuántica tiene tantas características contrarias a la intuición que parece posible aprender una nueva cada mes. La lección de hoy implica que las partículas se coloquen en el mismo estado cuántico y se vuelvan efectivamente indistinguibles. Una vez que son indistinguibles, comienzan a comportarse de esa manera, apareciendo en el mismo lugar incluso cuando esperamos verlos distribuidos al azar. En la edición de hoy de Naturalezaun artículo describe cómo hacer que los átomos se comporten de esta manera, desdibujando las líneas entre una función de probabilidad cuántica y lo que consideramos un objeto físico.

El problema original de la indistinguibilidad se demostró en un experimento realizado hace décadas utilizando fotones. Llamado experimento de Hong, Ou y Mandel, implicó enviar fotones en el mismo estado cuántico a un espejo parcial a lo largo de dos caminos diferentes. El espejo parcial, llamado divisor de haz, tiene una probabilidad del 50/50 de reflejar un fotón, moviéndolo de un camino a otro.

Basado en probabilidades 50/50, esperaría tres resultados diferentes. La mitad de las veces, cuando el divisor de haz no refleja fotones o ambos, esperaría un fotón en cada una de las rutas de salida. Cuando el divisor de haz refleja solo un fotón, vería ambos fotones en cualquier camino (con un 25% de probabilidad para cada uno).

Por supuesto, eso es mecánica cuántica, por lo que en realidad no sucede. Ambos aparecen siempre en un canal de salida u otro. Es como si la realidad dictara que, dado que no se pueden diferenciar los fotones, se comportan como si fueran el mismo objeto.

Una explicación del efecto Hong-Ou-Mandel de la Universidad de Sheffield.

Por supuesto, estos son fotones, partículas sin masa que fácilmente se comportan como ondas. Pero la mecánica cuántica también ha demostrado que cosas como los electrones y las partículas más pesadas, incluso las moléculas, pueden comportarse como ondas cuando se les da la oportunidad. Entonces, un equipo de la Universidad Paris Sud decidió intentar replicar el experimento de Hong, Ou y Mandel con algo un poco más sustancial que un fotón. Eligieron átomos de helio-4, que son relativamente fáciles de poner en un estado cuántico idéntico.

Publicidad

El experimento consistió en mantener los átomos sobre un sensor mediante una trampa óptica. Debido a la forma en que se instaló la trampa, los átomos comenzarían a moverse hacia arriba a dos velocidades diferentes hasta que la influencia de la gravedad comenzara a empujarlos hacia abajo.

A medida que se movían hacia arriba, los átomos fueron golpeados por fotones que intercambiaron su impulso. Esto hace que se crucen antes de comenzar a caer. En el punto preciso donde se cruzan los caminos, los átomos han sido nuevamente golpeados por fotones. Pero esta vez, los fotones tenían solo la mitad de la intensidad, lo que resultó en una probabilidad del 50/50 de que su impulso cambiara. En esencia, actuó como un divisor de haz para los átomos.

Como resultado, los átomos se volvieron indistinguibles: como parte del experimento, no tendríamos idea de cuándo esperaríamos que golpearan el detector.

Nuestras expectativas formadas clásicamente predecirían una curva gaussiana (en forma de campana), con pulsos distribuidos alrededor de las dos velocidades iniciales (7 y 12 cm/seg) debido al error aleatorio y al ruido. Y eso es similar a cómo se ven los resultados. A menos que observe las correlaciones entre cuándo aterrizan las partículas, verá el mismo tipo de sesgo que vieron Hong, Ou y Mandel: los átomos parecen aparecer en cualquiera de las dos velocidades, pero no en ambas. . Como eran indistinguibles, así lo hicieron y viajaron juntos.

El comportamiento no es perfecto: hay más átomos viajando a lo largo de ambos caminos de lo que esperaríamos si el experimento funcionara perfectamente. Pero los autores atribuyen la diferencia al ruido experimental, y el equipo señala que este comportamiento sigue siendo radicalmente diferente de lo que predeciría la mecánica clásica. Y habiendo hecho este trabajo con átomos, es posible que la técnica pueda extenderse para trabajar con partículas más grandes, permitiéndonos sondear los límites entre los mundos cuántico y clásico.

Naturaleza2015. DOI: 10.1038/nature14331 (Acerca de los DOI).

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.