Impresionante imagen muestra átomos transformándose en ondas cuánticas

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Una nueva técnica de imágenes, que capturó átomos de litio congelados transformándose en ondas cuánticas, podría usarse para investigar algunos de los aspectos menos comprendidos del mundo cuántico.

Por primera vez, físicos han capturado una imagen clara de átomos individuales comportándose como una onda.

La imagen muestra puntos rojos nítidos de átomos fluorescentes que se transforman en manchas borrosas de paquetes de ondas y es una impresionante demostración de la idea de que los átomos existen tanto como partículas como ondas, una de las piedras angulares de la mecánica cuántica.

“La naturaleza ondulatoria de la materia sigue siendo uno de los aspectos más sorprendentes de la mecánica cuántica”, escribieron los investigadores en el artículo.

Añaden que su nueva técnica podría usarse para obtener imágenes de sistemas más complejos, lo que brindaría información sobre algunas cuestiones fundamentales de la física.

Propuesta por primera vez por el físico francés Louis de Broglie en 1924 y ampliada por Erwin Schrödinger dos años más tarde, la dualidad onda-partícula establece que todos los objetos de tamaño cuántico, y por tanto toda la materia, existen como partículas y como ondas al mismo tiempo.

Los físicos suelen interpretar la famosa ecuación de Schrödinger como una afirmación de que los átomos existen como paquetes de probabilidad ondulatoria en el espacio, que luego se colapsan en partículas discretas tras la observación.

Aunque desconcertantemente contradictoria, esta extraña propiedad del mundo cuántico se ha presenciado en numerosos experimentos.

Para visualizar esta dualidad confusa, los físicos primero enfriaron los átomos de litio a temperaturas cercanas al cero absoluto bombardeándolos con fotones, o partículas de luz, de un láser para robarles su impulso.

Una vez que los átomos se enfriaron, más láseres los atraparon dentro de una red óptica como paquetes discretos.

Con los átomos enfriados y confinados, los investigadores apagaban y encendían periódicamente la red óptica, expandiendo los átomos desde un estado confinado casi de partícula a uno parecido a una onda, y luego de regreso.

Una cámara de microscopio registró la luz emitida por átomos en estado de partícula en dos momentos diferentes, comportándose los átomos como ondas en el medio.

Reuniendo muchas imágenes, los autores construyeron la forma de esta onda y observaron cómo se expande con el tiempo, en perfecto acuerdo con la ecuación de Schrödinger.

“Este método de obtención de imágenes consiste en girar la red para proyectar cada paquete de ondas en un único pozo y convertirlos nuevamente en partículas; ya no son ondas“, afirma el coautor del estudio Tarik Yefsah, físico del Centro Nacional Francés. para la Investigación Científica y la École normale supérieure de París.

“Se puede ver nuestro método de obtención de imágenes como una forma de muestrear la densidad de la función de onda, no muy diferente de los pixeles de una cámara CCD“.

Una cámara CCD es un tipo común de cámara digital que utiliza un dispositivo de carga acoplada para capturar sus imágenes.

Los científicos dicen que esta imagen es sólo una simple demostración.

Su próximo paso será utilizarlo para estudiar sistemas de átomos que interactúan fuertemente y que no se comprenden tan bien.

“Estudiar estos sistemas podría mejorar nuestra comprensión de estados extraños de la materia, como los que se encuentran en el núcleo de estrellas de neutrones extremadamente densas, o el plasma de quarks y gluones que se cree que existió poco después del Big Bang“, dijo Yefsah.

Fuente: Live Science