Manual de mecánica cuántica de un observador curioso, pt. 5: coger una ola

Aurick Lawson / Getty Images

Una de las revoluciones más silenciosas Desde nuestro siglo actual, la mecánica cuántica ha entrado en nuestra tecnología cotidiana. Los efectos cuánticos solían estar confinados a los laboratorios de física y microexperimentos. Pero la tecnología moderna depende cada vez más de la mecánica cuántica para sus procesos fundamentales, y los efectos cuánticos solo aumentarán en importancia en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la ardua tarea de explicar la mecánica cuántica a la gente común en esta serie de siete partes (No les prometemos matemáticas). A continuación se muestra la quinta historia de la serie, pero siempre puedes encontrarla. Historia inicial mas que Página de destino de toda la serie hasta ahora Activo.

Cantado a las líneas del monasterio enMaria” de sonido de la musica:

“¿Cómo se captura una ola como María? ¿Cómo se sostiene una nube y se mantiene firme? Oh, ¿cómo se resuelve una partícula como María? ¿Cómo se sostiene el rayo de luna en la mano?”

En nuestros viajes exploratorios hacia el desierto cuántico hasta ahora, hemos visto tanto tierra como partículas libres. Pero la mayoría de las partículas pasan su vida en condiciones más restringidas: electrones atrapados en los brazos de los núcleos, átomos unidos en moléculas o líneas ordenadas de cristales. El confinamiento no es necesariamente malo, solo las cuerdas atadas firmemente a un instrumento musical pueden hacer música.

En la caminata de hoy en madera de mecánica cuántica, colocaremos algunas trampas para que podamos ver cómo se comportan las partículas cuando están atrapadas. (Dado que las especies son sensibles, las trataremos con amabilidad y las despediremos cuando hayamos terminado). En este proceso, exploraremos el origen de los espectros de emisión de las estrellas y encontraremos átomos artificiales y puntos cuánticos, que desempeñan un papel pionero en todo, desde la computación cuántica hasta la televisión de consumo.

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Como hemos visto muchas veces, todas las partículas se mueven como ondas. Pero, ¿qué pasa cuando atrapamos una ola? ¿Cómo cambia el comportamiento de una partícula cuando la bloqueamos?

Un gran ejemplo cotidiano de una onda atrapada es el acorde de guitarra. Antes de que se adhiera a la guitarra, la cuerda puede vibrar de cualquier forma. Ondas rápidas, ondas lentas: todo tipo de onda es posible. Pero cuando enganchamos y tocamos la cuerda de una guitarra, la onda resultante queda atrapada por los extremos de conexión de la guitarra. La ola puede rebotar entre los extremos, pero no puede escapar.

Ondas atrapadas de un acorde de guitarra.  En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda está el armónico primario, el segundo armónico y el tercer armónico de cadena abierta.  Solo se permiten ondas que encajan con precisión en la trampa, y el aumento de frecuencia se asocia con una energía más alta (tono más alto).  También podemos acortar la trampa usando uno de los trastes de guitarra, que cambia la frecuencia fundamental (abajo a la izquierda) y todos los armónicos.
Acercarse / Ondas atrapadas de un acorde de guitarra. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda está el armónico primario, el segundo armónico y el tercer armónico de cadena abierta. Solo se permiten ondas que encajan con precisión en la trampa, y el aumento de frecuencia se asocia con una energía más alta (tono más alto). También podemos acortar la trampa usando uno de los trastes de guitarra, que cambia la frecuencia fundamental (abajo a la izquierda) y todos los armónicos.

Foto de Miguel Morales

Como se muestra en el gráfico anterior, se permiten algunas combinaciones de ondas (armónicos), pero solo son posibles ondas de la longitud correcta. Cuando la onda nos rodeó, pasamos de cualquier observación posible a un estado en el que solo podían existir aquellas ondas que encajaban en la trampa, y las observaciones que le correspondían. En otras palabras, los tonos de acordes de guitarra son causa Trampa. Y cuando ponemos un dedo en los trastes para cambiar el tamaño de la trampa, el tamaño de las ondas que se ajustan a él cambia y las notas que escuchamos cambian.

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Podemos ver que sucede lo mismo con los electrones. En 1993, Don Eagler y sus colegas crearon una trampa electrónica colocando 48 átomos de hierro en un anillo sobre una placa de cobre. El anillo hecho de átomos de hierro crea un refugio cuántico, una trampa electrónica circular. Cuando se toman imágenes con un microscopio de efecto túnel, la onda de electrones atrapados se puede ver claramente dentro del anillo de átomos de hierro.

Un corral circular hecho de 48 átomos de hierro (picos afilados) sobre una placa de cobre.  Se puede ver claramente la onda de un electrón atrapado dentro del pliegue.
Acercarse / Un corral circular hecho de 48 átomos de hierro (picos afilados) sobre una placa de cobre. Se puede ver claramente la onda de un electrón atrapado dentro del pliegue.

Debido a que las partículas se mueven como ondas, responden como cualquier otro tipo de onda cuando se detectan: cantan una nota musical específica. El electrón en la cámara cuántica es similar a las vibraciones del parche del tambor. Esto no es un accidente: el cilindro también crea una trampa circular para ondas similar a la cámara cuántica. La observación de que las partículas cuánticas capturan ciertas observaciones cuando quedan atrapadas es el resultado de moverse como ondas. Entonces, al capturar ondas de partículas, podemos hacer música.

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