Una guía para observadores curiosos de la mecánica cuántica, pt. 5: coger una ola

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Aurich Lawson / Getty Images

Una de las revoluciones más silenciosas de nuestro siglo actual fue la entrada de la mecánica cuántica en nuestra tecnología diaria. En el pasado, los efectos cuánticos se limitaban a laboratorios de física y experimentos delicados. Pero la tecnología moderna depende cada vez más de la mecánica cuántica para su funcionamiento básico, y la importancia de los efectos cuánticos solo crecerá en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la enorme tarea de explicar la mecánica cuántica a los profanos en esta serie de siete partes (sin matemáticas, lo prometemos). A continuación se muestra la quinta historia de la serie, pero siempre puede encontrar la historia inicial más una página de inicio para toda la serie hasta ahora en el sitio.

Cantado a los versos de la abadesa en «María» de El sonido de la musica:

«¿Cómo se toma una ola como María? ¿Cómo se toma una nube y se la mira? Oh, ¿cómo se resuelve una partícula como María? ¿Cómo se sostiene un rayo de luna?»

Hasta ahora, durante nuestras expediciones a la naturaleza salvaje de la mecánica cuántica, hemos visto partículas libres y salvajes. Pero la mayoría de las partículas pasan sus vidas en circunstancias más limitadas: electrones atrapados en el abrazo de núcleos, átomos encadenados en moléculas o líneas reglamentadas de cristales. El confinamiento no es necesariamente malo, solo las cuerdas fuertemente atadas en un instrumento musical pueden hacer música.

En la caminata de hoy por los bosques de la mecánica cuántica, traeremos algunas trampas para que pueda ver cómo se comportan las partículas cuando las confina. (Siendo tipos sensibles, los trataremos con amabilidad y los liberaremos cuando hayamos terminado). En el proceso, descubriremos el origen de los espectros de emisión de las estrellas y encontraremos átomos artificiales y puntos cuánticos, que desempeñan un papel principal en todo, desde computación cuántica hasta televisores de consumo.

Porque el pájaro enjaulado canta

Como hemos visto varias veces, todas las partículas se mueven como ondas. Pero, ¿qué pasa cuando atrapamos una ola? ¿Cómo cambia el comportamiento de una partícula cuando la confinamos?

Un gran ejemplo cotidiano de una ola atrapada es una cuerda de guitarra. Antes de ser unida a una guitarra, una cuerda puede balancear cómo se siente. Ondas rápidas, ondas lentas: cualquier tipo de onda es posible. Pero cuando atamos la cuerda a una guitarra y la tocamos, la onda resultante queda atrapada por los extremos unidos a la guitarra. La ola puede rebotar entre los extremos, pero no puede escapar.

Las ondas atrapadas de una cuerda de guitarra.  En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda están el fundamental, el segundo armónico y el tercer armónico de una cuerda abierta.  Solo se permiten las ondas que encajan perfectamente en la trampa, y el aumento de frecuencia se asocia con una energía más alta (tono más alto).  También podemos acortar la trampa usando uno de los trastes de guitarra, que cambia la frecuencia de la fundamental (abajo a la izquierda) y todos los armónicos.
Acercarse / Las ondas atrapadas de una cuerda de guitarra. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda se encuentran el fundamental, el segundo armónico y el tercer armónico de una cuerda abierta. Solo se permiten ondas que encajan perfectamente en la trampa, y el aumento de frecuencia se asocia con una energía más alta (tono más alto). También podemos acortar la trampa usando uno de los trastes de guitarra, que cambia la frecuencia de la fundamental (abajo a la izquierda) y todos los armónicos.

Marcador de posición de Miguel Morales

Como se muestra en el diagrama anterior, se permiten algunas series de ondas (armónicos), pero solo son posibles ondas de la longitud correcta. Cuando atrapamos la onda, pasamos de todas las notas posibles a un estado en el que solo pueden existir aquellas ondas que encajan en la trampa y las notas a las que corresponden. En otras palabras, las alturas de las cuerdas de la guitarra son causado de la trampa. Y cuando ponemos un dedo en un traste para cambiar el tamaño de la trampa, el tamaño de las ondas que encajan cambia y las notas que escuchamos cambian.

Podemos ver que sucede lo mismo con los electrones. En 1993, Don Eigler y sus colegas hicieron una trampa de electrones colocando 48 átomos de hierro en un anillo encima de una lámina de cobre. El anillo de átomos de hierro crea una valla cuántica, una trampa de electrones circular. Cuando se obtiene una imagen con un microscopio de efecto túnel, la onda de un electrón atrapado se puede ver claramente dentro del anillo de átomos de hierro.

Una valla circular de 48 átomos de hierro (picos afilados) sobre una lámina de cobre.  Se puede ver claramente la onda de un electrón atrapado dentro del recinto.
Acercarse / Una valla circular de 48 átomos de hierro (picos afilados) sobre una lámina de cobre. Se puede ver claramente la onda de un electrón atrapado dentro del recinto.

Debido a que las partículas se mueven como ondas, responden exactamente como cualquier otro tipo de onda cuando se capturan: cantan con notas específicas. El electrón en el recinto cuántico se asemeja a las vibraciones de la piel de un tambor. No es una coincidencia: un tambor también crea una trampa de ondas circular similar al corral cuántico. La observación de que las partículas cuánticas captan notas específicas cuando quedan atrapadas es una consecuencia de su movimiento como ondas. Entonces, al capturar las ondas de partículas, podemos hacer música.

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