Los físicos han demostrado una nueva forma de obtener los detalles esenciales que describen un sistema cuántico aislado, como un gas de átomos, a través de la observación directa. El nuevo método proporciona información sobre la probabilidad de encontrar átomos en ubicaciones específicas del sistema con una resolución espacial sin precedentes. Con esta técnica, los científicos pueden obtener detalles en una escala de decenas de nanómetros, más pequeña que el ancho de un virus.

Experimentos realizados en el Joint Quantum Institute (JQI), una asociación de investigación entre el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Maryland, utilice una red óptica, una red de luz láser que suspende miles de átomos individuales, para determinar la probabilidad de que un átomo pueda estar en una ubicación determinada. Debido a que cada átomo individual en la red se comporta como todos los demás, una medición de todo el grupo de átomos revela la probabilidad de que un átomo individual se encuentre en un punto particular del espacio.

Publicado en la revista Revisión física X , La técnica JQI (y una técnica similar publicada simultáneamente por un grupo de la Universidad de Chicago) puede producir la probabilidad de que los átomos se ubiquen muy por debajo de la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar los átomos, 50 veces mejor que el límite de lo que La microscopía óptica normalmente puede resolverse.

"Es una demostración de nuestra capacidad para observar la mecánica cuántica, "dijo Trey Porto de JQI, uno de los físicos detrás del esfuerzo de investigación. "No se ha hecho con átomos con una precisión cercana a esta".

Para comprender un sistema cuántico, los físicos hablan con frecuencia sobre su "función de onda". No es solo un detalle importante; es toda la historia. Contiene toda la información que necesita para describir el sistema.

"Es la descripción del sistema, "dijo el físico de JQI Steve Rolston, otro de los autores del artículo. "Si tiene la información de la función de onda, puede calcular todo lo demás, como el magnetismo del objeto, su conductividad y su probabilidad de emitir o absorber luz ".

Si bien la función de onda es una expresión matemática y no un objeto físico, El método del equipo puede revelar el comportamiento que describe la función de onda:las probabilidades de que un sistema cuántico se comporte de una forma frente a otra. En el mundo de la mecánica cuántica, la probabilidad lo es todo.

Entre los muchos principios extraños de la mecánica cuántica está la idea de que antes de medir sus posiciones, los objetos pueden no tener una ubicación precisa. Los electrones que rodean el núcleo de un átomo, por ejemplo, no viajen en órbitas regulares parecidas a planetas, contrariamente a la imagen que a algunos de nosotros nos enseñaron en la escuela. En lugar de, actúan como ondas ondulantes, de modo que no se puede decir que un electrón en sí mismo tenga una ubicación definida. Bastante, los electrones residen en regiones difusas del espacio.

Todos los objetos pueden tener este comportamiento ondulado, pero para cualquier cosa lo suficientemente grande para que los ojos sin ayuda la vean, el efecto es imperceptible y las reglas de la física clásica están vigentes:no nos damos cuenta de los edificios, cubos o migas de pan extendiéndose como olas. Pero aísle un objeto diminuto como un átomo, y la situación es diferente porque el átomo existe en un reino de tamaño donde reinan los efectos de la mecánica cuántica. No es posible decir con certeza dónde se encuentra, solo que se encontrará en alguna parte. La función de onda proporciona el conjunto de probabilidades de que el átomo se encuentre en un lugar determinado.

La mecánica cuántica está bastante bien entendida:los físicos, de todos modos, que para un sistema bastante simple, los expertos pueden calcular la función de onda a partir de los primeros principios sin necesidad de observarla. Muchos sistemas interesantes son complicados, aunque.

"Hay sistemas cuánticos que no se pueden calcular porque son demasiado difíciles, ", Dijo Rolston, como moléculas hechas de varios átomos grandes. Este enfoque podría ayudarnos a comprender esas situaciones".

Como la función de onda describe solo un conjunto de probabilidades, ¿Cómo pueden los físicos obtener una imagen completa de sus efectos en poco tiempo? El enfoque del equipo implica medir una gran cantidad de sistemas cuánticos idénticos al mismo tiempo y combinar los resultados en una imagen general. Es como rodar 100 000 pares de dados al mismo tiempo:cada lanzamiento da un resultado único, y aporta un solo punto en la curva de probabilidad que muestra los valores de todos los dados.

Lo que el equipo observó fueron las posiciones de aproximadamente 100, 000 átomos de iterbio que la red óptica suspende en sus láseres. Los átomos de iterbio están aislados de sus vecinos y restringidos a moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un segmento de línea unidimensional. Para obtener una imagen de alta resolución, el equipo encontró una manera de observar cortes estrechos de estos segmentos de línea, y con qué frecuencia aparecía cada átomo en su segmento respectivo. Después de observar una región, el equipo midió a otro, hasta que tuvo la imagen completa.

Rolston dijo que, si bien aún no ha pensado en una "aplicación asesina" que aproveche la técnica, el mero hecho de que el equipo haya imaginado directamente algo fundamental para la investigación cuántica lo fascina.

"No es del todo obvio dónde se utilizará, pero es una nueva técnica que ofrece nuevas oportunidades, ", dijo." Hemos estado usando una red óptica para capturar átomos durante años, y ahora se ha convertido en un nuevo tipo de herramienta de medición ".