Nuevo récord de superposición cuántica: 2.000 átomos en dos lugares a la vez

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El principio de superposición cuántica ha sido probado en una escala como nunca antes en un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Viena en colaboración con la Universidad de Basilea.

Las moléculas complejas calientes compuestas de casi dos mil átomos fueron llevadas a una superposición cuántica y se hizo que interfirieran.

Al confirmar este fenómeno, “el corazón de la mecánica cuántica”, en palabras de Richard Feynman, en una nueva escala de masas, se han establecido restricciones mejoradas sobre teorías alternativas a la mecánica cuántica.

El principio de superposición es un sello distintivo de la teoría cuántica que surge de una de las ecuaciones más fundamentales de la mecánica cuántica, la ecuación de Schrödinger.

Describe partículas en el marco de funciones de onda, que, al igual que las ondas de agua en la superficie de un estanque, pueden exhibir efectos de interferencia.

Pero en contraste con las ondas de agua, que son un comportamiento colectivo de muchas moléculas de agua que interactúan, las ondas cuánticas también pueden asociarse con partículas aisladas.

Quizás el ejemplo más elegante de la naturaleza ondulatoria de las partículas es el experimento de doble rendija, en el que la función de onda de una partícula pasa simultáneamente por dos rendijas e interfiere.

Este efecto se ha demostrado para fotones, electrones, neutrones, átomos e incluso moléculas, y plantea una pregunta con la que los físicos y filósofos han luchado desde los primeros días de la mecánica cuántica:

¿cómo transitan estos extraños efectos cuánticos al mundo clásico con el que todos estamos familiarizados.

Los experimentos de Markus Arndt y su equipo en la Universidad de Viena abordan esta cuestión de la manera más directa posible, es decir, al mostrar interferencia cuántica con objetos cada vez más masivos.

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Las moléculas en los experimentos recientes tienen masas superiores a 25,000 unidades de masa atómica, varias veces más grandes que el registro anterior.

Una de las moléculas más grandes enviadas a través del interferómetro, C707H260F908N16S53Zn4, está compuesta por más de 40,000 protones, neutrones y electrones, con una longitud de onda de De Broglie que es mil veces más pequeña que el diámetro de incluso un solo átomo de hidrógeno.

Marcel Mayor y su equipo de la Universidad de Basilea utilizaron técnicas especiales para sintetizar moléculas tan masivas que eran lo suficientemente estables como para formar un haz molecular en el vacío ultra alto.

Probar la naturaleza cuántica de estas partículas también requirió un interferómetro de onda de materia con una línea de base de dos metros de largo que fue construido específicamente en Viena.

Una clase de modelos que tiene como objetivo conciliar la transición aparente de un régimen cuántico a uno clásico predice que la función de onda de una partícula colapsa espontáneamente con una tasa proporcional a su masa al cuadrado.

Al mostrar experimentalmente que se mantiene una superposición para una partícula pesada durante un período de tiempo determinado, por lo tanto, establece límites directamente sobre la frecuencia y la localización del proceso de colapso.

En estos experimentos, las moléculas permanecieron en una superposición durante más de 7 ms, el tiempo suficiente para establecer nuevos límites interferométricos en modelos cuánticos alternativos.

Una medida generalizada llamada macroscopicidad se usa para clasificar qué tan bien se descartan los modelos alternativos mediante tales experimentos, y los experimentos de Fein et al. publicados en Nature Physics representan un aumento de orden de magnitud en la macroscopicidad.

“Nuestros experimentos muestran que la mecánica cuántica, con toda su rareza, también es increíblemente robusta, y estoy optimista de que los experimentos futuros la probarán en una escala aún más masiva”, dice Fein.

La línea entre lo cuántico y lo clásico se vuelve cada vez más borrosa.

Fuente: EurekAlert