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  • Cuentos Cuánticos : ¿Ondículas? ¿Partícondas? ¿Fotografiando la dualidad onda-partícula?


    02/03/2015

    Pues confirmando lo que llevo pensando mucho tiempo:

    Basta decirle a un físico experimental que algo es imposible para que se empeñe en hacerlo y lo consiga.

    fotonoticia_20150302144809_644

    La última travesura ha sido encontrar una forma en la que casi, casi, podemos decir que hemos fotografiado fotones mostrando su naturaleza ondulatoria y corpuscular simultáneamente.  Si buscas los detalles técnicos y tecnológicos:

    Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field

    Si uno se lee el artículo, yo lo he hecho y he sudado sangre, en realidad no encontrará una relación muy clara entre lo que dice el artículo con lo que están diciendo los titulares de que se ha fotografiado la dualidad onda-corpúsculo.  En realidad la cosa es más compleja y más interesante.

    Pero bueno, vamos a explicar la noticia para los que estén con la mosca detrás de la oreja y sientan curiosidad.

    Onda, Partícula, juntas pero no revueltas

    Bueno, esto es la historia de siempre.  Desde el advenimiento de la mecánica cuántica se vio que los sistemas cuánticos se podían comportar como partículas o como ondas.

    Nuestro entendimiento de la naturaleza divide los sistemas físicos en:

    Partícula — Entes localizados que ocupan cierta región del espacio y que son capaces de colisionar entre si y cambiar la dirección de movimiento.

    Onda — Entes extensos, perturbaciones de un medio o un campo que se propaga por el espacio. Pueden interferir sintiendo los efectos en la región de interferencia pero continuando como si nada tras dicha interacción.

    de-Broglie-web_1Pues bien, el amigo de-Broglie estableció a principios del siglo XX que todo sistema cuántico se podía entender como onda o como partícula.  Luego esto se fue confirmando experimentalmente en todas las situaciones.  Eso sí, los aspectos corpusculares y ondulatorios no se podían poner de manifiesto simultáneamente.  Si uno describe un experimento para esclarecer un aspecto ondulatorio no podrá obtener ningún resultado de características de partícula y viceversa.  Esto es especialmente dramático en el experimento arquetípico de la doble rendija.

    Sin embargo, parece ser que los amigos firmantes del artículo indicado en la entradilla de este post han diseñado un ingenioso método en el que se ponen de manifiesto, de forma indirecta y muy sutil, la interconexión entre propiedades de partícula y onda.

    ¿En qué se basa el artículo?

    vps0c

    Si nos paramos a pensar en la luz podemos hacer dos descripciones de la misma:

    a)  La luz es una onda electromagnética, es decir, una perturbación del campo electromagnético que se propaga como una ondulación a través del espacio.

    b)  Es un conjunto de cuantos de energía denominados fotones.  Estos fotones tienen una energía característica (relacionada con la frecuencia de la onda electromagnética que representen), una masa, un espín, etc.  Es decir, son partículas de pleno derecho.  (Sí, la masa del fotón es nula, pero nadie dijo que no valiera el valor cero para la masa)

    Vamos a describir qué es lo que hacen en el artículo.

    Primer paso

    Tenemos un finísimo hilo metálico que lo vamos a situar sobre una superficie de grafeno.  El hilo metálico es conductor y el grafeno es aislante.

    Segundo paso

    Iluminamos el hilo metálico con una luz ultravioleta coherente, un láser para los amigos.  Esto hace que los electrones del metal se exciten y se muevan colectivamente por el hilo, todos como un equipo.  Estas perturbaciones de los electrones del metal como una única entidad se denominan plasmones.  Y estos plasmones excitados, que dentro del metal son como partículas de pleno derecho (si quieres más detalle sobre esto: Cuando todo tu universo es un sólido).  En las condiciones en las que son formados los plasmones van y vienen por el hilo, de un extremo al otro, formando una onda estacionaria. Para liberar su energía estos plasmones emiten fotones en la dirección perpendicular a la superficie del metal.  A estos fotones específicos se les denomina polaritones.

    Tercer paso

    Ahora lo que hacemos es lanzar electrones contra la superfice de contacto entre el grafeno y el hilo metálico que está muy entretenido con sus plasmones y polaritiones.  Con esto vamos a conseguir dos cosas:

    a)  Que los electrones choquen contra los fotones-polaritones, así podremos decir “Ojo, ahí hay una partícula”.  Esto lo hacemos viendo que los electrones ganan energía, la energía de salida es conocida, porque han chocado con los fotones producidos por el conjunto plasmón-polaritón.

    b)  Debido a que podemos estimar donde se han producido los cambios de energía de los electrones lanzados.  Habrá regiones donde hay mayor número de electrones que ganan energía y otras regiones donde el número es menor.  De ahí inferimos un patrón correspondiente a la onda estacionaria de plasmones (inducida por la iluminación ultravioleta inicial del hilo).

    Eso es lo que significa, groso modo, esta imagen:

    fotonoticia_20150302144809_644

    Combinando de manera inteligente este efecto podremos decir que hemos “visto” la dualidad onda-corpúsculo en acción.

    Precisando

    Es evidente que este resultado es muy bonito y tendrá grandes aplicaciones en fotónica y en el manejo de la interacción materia-radiación en la nanoescala que serán importantes para seguir mejorando nuestra microelectrónica.  Pero en realidad no se ha visto, per se, la dualidad onda corpúsculo, es decir, no se ha visto un fotón onda y partícula a la vez, cosa que está prohibida por la cuántica.

    Aquí lo que se hace es ver cómo fotones generados por una excitación electrónica colectiva de un metal, los polaritones inducidos por los plasmones, tienen una distribución atribuible a una onda estacionaria en el interior del metal y a la vez interactúan como partículas con un chorro de electrones incidentes desde el exterior.  No es exactamente ver una dualidad onda-partícula pero es un maravilloso adelanto experimental.

    Nos seguimos leyendo…

    P.D.

    Se me olvidaba, han hecho un simpático vídeo sobre el artículo:


    Archivado en: experimentos, materia condensada, mecánica cuántica Tagged: cuántica, dualidad onda-partícula, experimentos, fotones, onda, partícula, plasmones, polaritones