Rudolf Cole
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El mundo cuántico es bastante salvaje, donde lo aparentemente imposible sucede todo el tiempo: los objetos Teensy separados por millas están atados entre sí, y las partículas pueden incluso estar en dos lugares a la vez. Pero una de las superpotencias cuánticas más desconcertantes es el movimiento de partículas a través de barreras aparentemente impenetrables..
Ahora, un equipo de físicos ha ideado una forma sencilla de medir la duración de este extraño fenómeno, llamado túnel cuántico. Y descubrieron cuánto tiempo lleva la construcción de túneles de principio a fin: desde el momento en que una partícula entra en la barrera, la atraviesa y sale por el otro lado, informaron en línea el 22 de julio en la revista Nature..
El efecto túnel cuántico es un fenómeno en el que un átomo o una partícula subatómica puede aparecer en el lado opuesto de una barrera que debería ser imposible de penetrar por la partícula. Es como si estuvieras caminando y encontraras una pared de 10 pies de altura (3 metros) que se extiende hasta donde alcanza la vista. Sin una escalera o las habilidades de escalada de Spider-man, la pared te haría imposible continuar.
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Sin embargo, en el mundo cuántico, es raro, pero posible, que un átomo o un electrón simplemente "aparezca" en el otro lado, como si se hubiera cavado un túnel a través de la pared. "El túnel cuántico es uno de los fenómenos cuánticos más desconcertantes", dijo el coautor del estudio Aephraim Steinberg, codirector del Programa de Ciencia de la Información Cuántica del Instituto Canadiense de Investigación Avanzada. "Y es fantástico que ahora podamos estudiarlo de esta manera".
Los túneles cuánticos no son nuevos para los físicos. Constituye la base de muchas tecnologías modernas, como los chips electrónicos, llamados diodos de túnel, que permiten el movimiento de la electricidad a través de un circuito en una dirección pero no en la otra. Los microscopios de túnel de barrido (STM) también utilizan el túnel para mostrar literalmente átomos individuales en la superficie de un sólido. Poco después de que se inventara el primer STM, los investigadores de IBM informaron que usaron el dispositivo para deletrear las letras IBM usando 35 átomos de xenón en un sustrato de níquel..
Si bien las leyes de la mecánica cuántica permiten el túnel cuántico, los investigadores aún no saben exactamente qué sucede mientras una partícula subatómica se somete al proceso de túnel. De hecho, algunos investigadores pensaron que la partícula aparece instantáneamente al otro lado de la barrera como si se teletransportara instantáneamente allí, informó Sci-News.com..
Los investigadores habían intentado previamente medir la cantidad de tiempo que se tarda en producir un túnel, con resultados variables. Una de las dificultades en las versiones anteriores de este tipo de experimento es identificar el momento en que comienza y se detiene el túnel. Para simplificar la metodología, los investigadores utilizaron imanes para crear un nuevo tipo de "reloj" que solo marcaría mientras la partícula estaba haciendo un túnel..
Todas las partículas subatómicas tienen propiedades magnéticas y cuando los imanes están en un campo magnético externo, giran como una peonza. La cantidad de rotación (también llamada precesión) depende de cuánto tiempo la partícula esté bañada en ese campo magnético. Sabiendo eso, el grupo de Toronto utilizó un campo magnético para formar su barrera. Cuando las partículas están dentro de la barrera, precesan. Fuera de él, no lo hacen. Entonces, medir cuánto tiempo precesan las partículas les dijo a los investigadores cuánto tiempo tardaron esos átomos en atravesar la barrera..
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"El experimento es un logro técnico impresionante", dijo Drew Alton, profesor de física en la Universidad de Augustana, en Dakota del Sur..
Los investigadores prepararon aproximadamente 8.000 átomos de rubidio y los enfriaron a una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. Los átomos debían estar a esta temperatura, de lo contrario se habrían movido aleatoriamente a altas velocidades, en lugar de permanecer en un pequeño grupo. Los científicos utilizaron un láser para crear la barrera magnética; enfocaron el láser de modo que la barrera tuviera un grosor de 1,3 micrómetros (micrones), o el grosor de unos 2.500 átomos de rubidio. (Entonces, si tuvieras un pie de grosor, de adelante hacia atrás, esta barrera sería el equivalente a aproximadamente media milla de grosor). Usando otro láser, los científicos empujaron los átomos de rubidio hacia la barrera, moviéndolos alrededor de 0.15 pulgadas por segundo (4 milímetros / s).
Como era de esperar, la mayoría de los átomos de rubidio rebotaron en la barrera. Sin embargo, debido al efecto túnel cuántico, alrededor del 3% de los átomos atravesaron la barrera y aparecieron del otro lado. Según la precesión de esos átomos, les tomó alrededor de 0,6 milisegundos atravesar la barrera..
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Chad Orzel, profesor asociado de física en el Union College de Nueva York, que no formó parte del estudio, aplaudió el experimento: "Su experimento está ingeniosamente construido para que sea difícil de interpretar como algo diferente a lo que dicen", dijo Orzel. , autor de "Cómo enseñar la mecánica cuántica a su perro" (Scribner, 2010) "Es uno de los mejores ejemplos que verá de un experimento mental hecho realidad", agregó..
Los experimentos que exploran los túneles cuánticos son difíciles y se necesita más investigación para comprender las implicaciones de este estudio. El grupo de Toronto ya está considerando mejoras en su aparato no solo para determinar la duración del proceso de túnel, sino también para ver si pueden aprender algo sobre la velocidad de los átomos en diferentes puntos dentro de la barrera. "Estamos trabajando en una nueva medición en la que hacemos la barrera más gruesa y luego determinamos la cantidad de precesión a diferentes profundidades", dijo Steinberg. "Será muy interesante ver si la velocidad de los átomos es constante o no".
En muchas interpretaciones de la mecánica cuántica, es imposible, incluso en principio, determinar la trayectoria de una partícula subatómica. Tal medida podría conducir a comprender el confuso mundo de la teoría cuántica. El mundo cuántico es muy diferente del mundo con el que estamos familiarizados. Experimentos como estos ayudarán a que sea un poco menos misterioso.
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