Observan, por primera vez, partículas masivas comportándose como ondas

Ilustración del experimento. /Christian Knobloch

En la física cuántica, las partículas pueden comportarse como ondas y tomar muchos caminos a la vez. Una pequeña modificación en un experimento cuántico ha permitido a los científicos observar por primera vez a moléculas comportándose como ondas. Los resultados concuerdan sólidamente con lo que la teoría predice, pero, aunque nada se ponga en entredicho, observar una teoría tan contraintuitiva en acción hace que nos explote la cabeza.

Investigadores de las Universidades de Viena (Austria) y Tel Aviv (Israel) han colaborado recientemente en hacer posible una idea que lleva rondando a los científicos 20 años. En la mecánica cuántica estándar, el patrón de interferencia resultante de un número arbitrario de trayectorias abiertas que no interactúan siempre puede ser descrito por todas las combinaciones de pares de trayectorias. Cualquier patrón restante sería causa de una interferencia de orden superior y sería un indicador posible para una nueva física. Mientras que esta regla se ha probado antes con la luz y la radiación de microondas, los investigadores han ejecutado por primera vez un experimento, cuyos resultados se publican en Science Advances, centrado en las moléculas masivas.

La naturaleza de la luz

Para asegurarnos la comprensión de este nuevo experimento, demos un paso atrás: durante el primer cuarto del siglo XX, los científicos luchaban en lo que parecían dos universos completamente diferentes de leyes físicas. Uno era el Universo de Newton, dominado por la gravedad, y el segundo nació cuando Albert Einstein sugirió que la luz realmente estaba formada por bits discretos llamados quantos.

Por su lado, el físico Louis de Broglie aseguraba que la forma de dar sentido a los últimos modelos del átomo pasaba por describir a los electrones como ondas. Conocidísimos científicos como Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger encontraron diferentes maneras de predecir cómo debía comportarse la estructura de un átomo, pero uno representaba los electrones como ondas continuas y el otro como fragmentos discretos de material. Lo loco era que ambas teorías eran sólidas. Pero algo no puede ser a la vez una pelota y una onda, ¿no?

La duda continuó hasta que, en 1927, los físicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Germer demostraron que un haz de electrones que pasaba por un par de hendiduras paralelas estrechamente alineadas podría producir un patrón ondulatorio de comportamiento similar a la luz, respaldando la hipótesis de De Broglie.

Experimento con moléculas masivas

Pues bien, volviendo al nuevo experimento, los investigadores del Grupo de Nanofísica Cuántica de la universidad austriaca, dirigido por Markus Arndt, prepararon moléculas orgánicas complejas como ondas de materia. Esto se consiguió suspendiéndolas en el vacío a una altura de una micra y dejándolas evolucionar libremente durante algún tiempo. Después, cada molécula se deslocalizó, extendiéndose a través de muchos lugares a la vez. “La idea se conoce desde hace más de veinte años, pero sólo ahora tenemos los medios tecnológicos para reunir todos los componentes y construir un experimento capaz de probarlo con moléculas masivas", afirma Christian Brand, de la Universidad de Viena.

La mecánica cuántica describe cómo la materia se comporta en las escalas más pequeñas de masa y longitud. Sin embargo, la ausencia de fenómenos cuánticos en nuestra vida cotidiana ha desencadenado una búsqueda de modificaciones mínimas de la mecánica cuántica, que podría ser solo perceptible para las partículas masivas. La comparación de los patrones de difracción, detrás de una combinación de hendiduras grabadas con precisión, permite probar la mecánica cuántica con moléculas complejas. Requiere solamente combinaciones de pares de trayectorias, preferiblemente de tres o más, para determinar la probabilidad de que una partícula llegue a alguna parte.

Esto significa que cuando cada molécula encuentra una máscara que contiene múltiples hendiduras, puede atravesar muchas de ellas en paralelo. Al comparar cuidadosamente la posición de las moléculas que llegan al detector que está detrás de una combinación de hendiduras simples, dobles y triples, fueron capaces de colocar límites en cualquier multitrayecto.

Investigación conjunta

Un componente crucial del experimento es la máscara: una membrana ultrafina en la que se fabricaron matrices de hendiduras simples, dobles y triples. En ella, la desviación máxima en las dimensiones de la hendidura no era mucho mayor que el tamaño de las moléculas que estaba difractando. Fue diseñado y fabricado por la Universidad de Tel Aviv e integrada en el laboratorio de Viena y los investigadores estudiaron una amplia gama de velocidades moleculares en la misma serie experimental. Para todos ellos, los científicos encontraron el patrón de interferencia que confirma las expectativas de la mecánica cuántica estándar.

Si la física cuántica te resulta tan intrigante como desconcertante, no te alarmes, solo eres humano. El mismo Richard Feynman, conocido por sus contribuciones a la electrodinámica cuántica, dijo una vez: “Si usted piensa que ha entendido la mecánica cuántica es que no la ha entendido”. Así que puestos a disfrutar de esta ciencia con apariencia de magia, qué mejor que el humor. Visita aquí un recopilatorio de viñetas que te ayudarán a introducirte en este mundo. Son solo chistes, no tengas miedo.

Beatriz de Vera
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