Fue una de las mayores sorpresas en la historia de la ciencia:en los primeros días de la física cuántica, hace unos 100 años, los científicos descubrieron que las partículas que componen nuestra materia siempre se comportan como ondas. Así como la luz puede dispersarse en una doble rendija y producir patrones de dispersión, los electrones también pueden mostrar efectos de interferencia.

En 1933, los dos teóricos Piotr Kapitza y Paul Dirac demostraron que un haz de electrones incluso se difracta de una onda luminosa estacionaria (debido a las propiedades de las partículas) y que se pueden esperar efectos de interferencia debido a las propiedades de la onda. P>

Un equipo germano-chino dirigido por el profesor Reinhard Dörner de la Universidad Goethe de Frankfurt logró utilizar este efecto Kapitza-Dirac para visualizar incluso la evolución temporal de las ondas de los electrones, conocida como fase mecánica cuántica de los electrones. El estudio se publica en la revista Science .

"El antiguo investigador de doctorado de nuestro instituto, Alexander Hartung, construyó originalmente el aparato experimental", afirma Dörner. "Después de su partida, Kang Lin, un compañero de Alexander von Humboldt que trabajó en el equipo de Frankfurt durante cuatro años, pudo utilizarlo para medir el efecto Kapitza-Dirac dependiente del tiempo". Para ello fue necesario desarrollar aún más la descripción teórica, ya que Kapitza y Dirac no tuvieron en cuenta específicamente en aquel momento la evolución temporal de la fase electrónica.

En su experimento, los científicos de Frankfurt dispararon primero dos pulsos láser ultracortos desde direcciones opuestas hacia un gas xenón. En el punto de cruce, estos pulsos de femtosegundos (un femtosegundo es una billonésima de segundo) produjeron un campo de luz ultrafuerte durante fracciones de segundo. Esto arrancó electrones de los átomos de xenón, es decir, los ionizó.

Poco después, los físicos dispararon un segundo par de breves impulsos láser contra los electrones liberados de esta manera, que también formaron una onda estacionaria en el centro. Estos pulsos fueron ligeramente más débiles y no provocaron más ionización. Sin embargo, ahora pudieron interactuar con los electrones libres, lo que se pudo observar con la ayuda de un microscopio de reacción COLTRIMS desarrollado en Frankfurt.

"En el momento de la interacción pueden ocurrir tres cosas", afirma Dörner. "O el electrón no interactúa con la luz o se dispersa hacia la izquierda o hacia la derecha".

Según las leyes de la física cuántica, estas tres posibilidades juntas suman una cierta probabilidad que se refleja en la función de onda de los electrones:el espacio en forma de nube en el que es probable que se encuentre el electrón, colapsa. , por así decirlo, en rodajas tridimensionales. Aquí, la evolución temporal de la función de onda y su fase depende del tiempo que transcurre entre la ionización y el momento del impacto del segundo par de pulsos láser.

"Esto abre muchas aplicaciones interesantes en la física cuántica. Con suerte, nos ayudará a rastrear cómo los electrones se transforman de partículas cuánticas en partículas completamente normales en el menor espacio de tiempo. Ya estamos planeando usarlo para descubrir más sobre el entrelazamiento entre diferentes partículas que Einstein llamó 'espeluznantes'", dice Dörner.