Los físicos han demostrado una nueva forma de obtener los detalles esenciales que describen un sistema cuántico aislado, como un gas de átomos, a través de la observación directa. El nuevo método brinda información sobre la probabilidad de encontrar átomos en ubicaciones específicas del sistema sin precedentesresolución espacial. Con esta técnica, los científicos pueden obtener detalles en una escala de decenas de nanómetros, más pequeños que el ancho de un virus.
Los experimentos realizados en el Joint Quantum Institute JQI, una asociación de investigación entre el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Maryland, utilizan una red óptica, una red de luz láser que suspende miles de átomos individuales- para determinar la probabilidad de que un átomo pueda estar en cualquier lugar dado. Debido a que cada átomo individual en la red se comporta como todos los demás, una medición en todo el grupo de átomos revela la probabilidad de que un átomo individual esté en un punto particularen el espacio.
Publicado en la revista Revisión física X , la técnica JQI y una técnica similar publicada simultáneamente por un grupo de la Universidad de Chicago puede generar la probabilidad de que las ubicaciones de los átomos estén muy por debajo de la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar los átomos, 50 veces mejor queEl límite de lo que la microscopía óptica puede resolver normalmente.
"Es una demostración de nuestra capacidad para observar la mecánica cuántica", dijo Trey Porto de JQI, uno de los físicos detrás del esfuerzo de investigación. "No se ha hecho con átomos con una precisión tan cercana".
Para comprender un sistema cuántico, los físicos hablan con frecuencia sobre su "función de onda". No es solo un detalle importante; es toda la historia. Contiene toda la información que necesita para describir el sistema.
"Es la descripción del sistema", dijo el físico de JQI Steve Rolston, otro de los autores del artículo. "Si tiene la información de la función de onda, puede calcular todo lo demás, como el magnetismo del objeto, su conductividad ysu probabilidad de emitir o absorber luz "
Si bien la función de onda es una expresión matemática y no un objeto físico, el método del equipo puede revelar el comportamiento que describe la función de onda: las probabilidades de que un sistema cuántico se comporte de una forma frente a otra. En el mundo de la mecánica cuántica,la probabilidad lo es todo
Entre los muchos principios extraños de la mecánica cuántica está la idea de que antes de medir sus posiciones, los objetos pueden no tener una ubicación identificable. Los electrones que rodean el núcleo de un átomo, por ejemplo, no viajan en órbitas planetarias regulares, a diferencia dela imagen que a algunos de nosotros nos enseñaron en la escuela. En cambio, actúan como ondas ondulantes, por lo que no se puede decir que un electrón en sí tenga una ubicación definida. Por el contrario, los electrones residen dentro de regiones borrosas del espacio.
Todos los objetos pueden tener este comportamiento ondulatorio, pero para cualquier cosa lo suficientemente grande como para que los ojos sin ayuda lo vean, el efecto es imperceptible y las reglas de la física clásica están vigentes: no notamos edificios, cubos o migas de pan extendiéndose como olasPero aislar un objeto pequeño como un átomo, y la situación es diferente porque el átomo existe en un reino de tamaño donde los efectos de la mecánica cuántica reinan supremamente. No es posible decir con certeza dónde se encuentra, solo que se encontraráen algún lugar. La función de onda proporciona el conjunto de probabilidades de que el átomo se encuentre en un lugar determinado.
La mecánica cuántica es bien entendida, por los físicos, de todos modos, que para un sistema lo suficientemente simple, los expertos pueden calcular la función de onda desde los primeros principios sin necesidad de observarla. Sin embargo, muchos sistemas interesantes son complicados.
"Hay sistemas cuánticos que no se pueden calcular porque son demasiado difíciles", dijo Rolston, como las moléculas hechas de varios átomos grandes. "Este enfoque podría ayudarnos a comprender esas situaciones".
Como la función de onda describe solo un conjunto de probabilidades, ¿cómo pueden los físicos obtener una imagen completa de sus efectos en poco tiempo? El enfoque del equipo implica medir una gran cantidad de sistemas cuánticos idénticos al mismo tiempo y combinar los resultados en uno en generales como tirar 100,000 pares de dados al mismo tiempo: cada lanzamiento da un solo resultado y contribuye con un solo punto en la curva de probabilidad que muestra los valores de todos los dados.
Lo que el equipo observó fueron las posiciones de aproximadamente 100,000 átomos de iterbio que la red óptica suspende en sus láseres. Los átomos de iterbio están aislados de sus vecinos y restringidos a moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un segmento de línea unidimensional. Para obtener unimagen de alta resolución, el equipo encontró una manera de observar segmentos estrechos de estos segmentos de línea y con qué frecuencia cada átomo apareció en su segmento respectivo. Después de observar una región, el equipo midió otro, hasta que tuvo la imagen completa.
Rolston dijo que aunque todavía no ha pensado en una "aplicación asesina" que aproveche la técnica, el simple hecho de que el equipo haya imaginado directamente algo central para la investigación cuántica lo fascina.
"No es totalmente obvio dónde se utilizará, pero es una nueva técnica que ofrece nuevas oportunidades", dijo. "Hemos estado utilizando una red óptica para capturar átomos durante años, y ahora se ha convertido en un nuevo tipo deherramienta de medición."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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