Logran poner en estado cuántico un trocito de metal

¿Puede un pequeño trozo de metal, del tamaño de un nanotransistor moderno, entrar en un estado cuántico que abarque lugares distantes? Unos científicos han comprobado ahora que sí.

El equipo, integrado, entre otros, por Sebastian Pedalino, Markus Arndt y Stefan Gerlich, de la Universidad de Viena en Austria, y Klaus Hornberger, de la Universidad de Duisburgo-Essen en Alemania, ha demostrado que incluso nanopartículas masivas, compuestas por miles de átomos de sodio, siguen las reglas de la mecánica cuántica. El experimento que estos físicos han realizado es una de las mejores demostraciones hechas hasta ahora de la mecánica cuántica operando a una escala más cercana al mundo macroscópico que al atómico.

En la mecánica cuántica, no solo la luz, sino también la materia, pueden comportarse tanto como partículas como ondas. Esto se ha demostrado en numerosas ocasiones para electrones, átomos y moléculas pequeñas mediante experimentos de difracción de doble rendija (interferencia cuántica). Sin embargo, esto no lo vemos a la escala macroscópica propia de nuestra vida cotidiana: las canicas, las piedras y las partículas de polvo tienen una ubicación bien definida y una trayectoria predecible; siguen las reglas de la física clásica.

Pedalino y sus colegas han demostrado por primera vez que la naturaleza ondulatoria de la materia también se conserva en nanopartículas metálicas masivas. La escala de las partículas es impresionante en comparación con la subatómica o la atómica: los cúmulos tienen un diámetro de unos 8 nanómetros, comparable al tamaño de los nanotransistores modernos. Con una masa de más de 170.000 unidades de masa atómica, también son más masivas que la mayoría de las proteínas. Sin embargo, se puede detectar la interferencia cuántica de estas nanopartículas.

El sentido común, a partir de nuestra experiencia en el mundo cotidiano, nos diría que un trozo de metal tan grande (en comparación con el mundo de los átomos y partículas subatómicas) se comportará siempre como una partícula clásica. El hecho de que exhiba el efecto observado en el nuevo experimento demuestra que la mecánica cuántica es válida incluso a esta escala.

Parte del equipamiento, en la Universidad de Viena, usado en el experimento. (Foto: S. Pedalino / Uni Wien. CC BY)

En el experimento, los científicos generan cúmulos fríos de sodio compuestos por entre 5.000 y 10.000 átomos. Estos se envían a través de tres rejillas de difracción generadas por rayos láser ultravioleta. En el primer rayo láser, la ubicación de cada cúmulo se predetermina inicialmente con un período de una diezmilésima de milímetro y una precisión de unos 10 nanómetros, lo que permite una superposición de trayectorias que la partícula puede seguir a través del sistema. Cuando estas posibilidades se superponen al final del sistema, se crea un patrón de rayas de metal medible, en buena concordancia con la teoría cuántica.

Esto demuestra que la ubicación de las partículas no está determinada durante el vuelo sin observación. Esta deslocalización es decenas de veces mayor que el tamaño de cada partícula individual. Los físicos se refieren a estos estados como estados del gato de Schrödinger porque imitan un experimento imaginario del premio Nobel austriaco Erwin Schrödinger. Schrödinger consideró si, en el ámbito de la mecánica cuántica, sería posible poner a un gato en un estado en el que estuviera a la vez vivo y muerto. La analogía entre ese experimento imaginario y el nuevo real es evidente: cada pieza de metal está aquí y al mismo tiempo no está aquí.

Pedalino y sus colegas exponen los detalles técnicos de su experimento en la revista académica Nature, bajo el título “Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry”. (Fuente: NCYT de Amazings)