Curious Observer’s Guide to Quantum Mechanics, pt. 5: coger una ola

Aurich Lawson / Getty Images

Una de las revoluciones más silenciosas de nuestro siglo actual ha sido la entrada de la mecánica cuántica en nuestra tecnología cotidiana. En el pasado, los efectos cuánticos se limitaban a los laboratorios de física y a 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 aumentará en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales asumió la hercúlea tarea de explicar la mecánica cuántica a los profanos en esta serie de siete partes (sin matemáticas, lo prometemos). Aquí está la quinta historia de la serie, pero aún puede encontrar la historia inicial más que página de destino de toda la serie hasta ahora en el sitio.

Cantado en las líneas de la abadesa en “Maria“de El sonido de la musica:

“¿Cómo atrapar una ola como María? ¿Cómo atrapar una nube y mirarla? Oh, ¿cómo resuelves una partícula como María? ¿Cómo sostienes un rayo de luna en tu mano?”

A través de nuestras expediciones al desierto de mecánica cuántica hasta ahora, hemos visto partículas salvajes y libres. Pero la mayoría de las partículas pasan su vida en circunstancias más restrictivas: electrones atrapados en las garras de los núcleos, átomos encadenados en moléculas o líneas de cristales reglamentados. La contención no es necesariamente algo malo, solo las cuerdas fuertemente atadas a un instrumento musical pueden hacer música.

En la caminata de hoy por los bosques de la mecánica cuántica, llevaremos trampas para ver cómo se comportan las partículas cuando las confina. (Al ser una especie sensible, los trataremos con amabilidad y los publicaremos cuando hayamos terminado). En el proceso, descubriremos el origen de los espectros de emisión de las estrellas y nos encontraremos con átomos artificiales y puntos cuánticos, que juegan un papel. líder en todo, desde computación cuántica hasta televisores de consumo.

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¿Por qué canta el pájaro enjaulado?

Como hemos visto en varias ocasiones, todas las partículas se mueven como ondas. Pero, ¿qué pasa cuando atrapas 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 conectado a una guitarra, una cuerda puede moverse como mejor le parezca. Ondas rápidas, ondas lentas: todo tipo de ondas son posibles. Pero cuando atamos la cuerda a una guitarra y la tocamos, la onda resultante queda atrapada por los extremos que están unidos a la guitarra. La ola puede rebotar entre los extremos, pero no puede escapar.

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Olas atrapadas en una cuerda de guitarra.  En el sentido de las agujas del reloj desde la esquina superior izquierda está la raíz, 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 mayor energía (tono más alto).  También puedes acortar la trampa usando uno de los trastes de la guitarra, que cambia la frecuencia de la fundamental (abajo a la izquierda) y todos los armónicos.
Agrandar / Olas atrapadas en una cuerda de guitarra. En el sentido de las agujas del reloj desde la esquina superior izquierda está la raíz, 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 mayor energía (tono más alto). También puedes acortar la trampa usando uno de los trastes de la 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 ciertos conjuntos de ondas (armónicos), pero solo son posibles ondas de buena longitud. Cuando atrapamos la onda, pasamos de cualquier nota que fuera posible a un estado en el que solo pueden existir las ondas que encajan en la trampa, y las notas a las que corresponden. En otras palabras, las alturas de la cuerda de la guitarra son causado por 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.

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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 un corral cuántico, 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.

Un corral circular de 48 átomos de hierro (picos puntiagudos) sobre una lámina de cobre.  La onda de un electrón atrapado dentro del corral es claramente visible.
Agrandar / Un corral circular de 48 átomos de hierro (picos puntiagudos) sobre una lámina de cobre. La onda de un electrón atrapado dentro del corral es claramente visible.

Dado que las partículas se mueven como ondas, reaccionan como cualquier otro tipo de onda cuando se capturan: cantan con notas específicas. El electrón en el corral cuántico se parece a las vibraciones de un parche de tambor. Esto no es un accidente: un tambor también crea una trampa circular para ondas análogas al corral cuántico. La observación de que las partículas cuánticas recogen notas específicas cuando quedan atrapadas es una consecuencia de su movimiento como ondas. Entonces, al captar ondas de partículas, podemos hacer música.

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