Un nuevo montaje experimental combina el experimento de la doble rendija con el experimento de Stern-Gerlach.
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Sin experimentos no hay Física. La Mecánica Cuántica pudo avanzar a principios del siglo pasado gracias fundamentalmente a dos montajes experimentales: el experimento de la doble rendija y el experimento de Stern-Gerlach. Sin embargo, seguimos estancados a la hora de obtener una teoría cuántica de la gravedad. Uno de los factores es que no disponemos de experimentos que puedan estudiar sus efectos.
El experimento de la doble rendija no es más que un interferómetro, pero en lugar de interferir luz se interfieren «ondas de materia» compuestas por partículas. Se arroja un haz de partículas, como por ejemplo de electrones, sobre una lámina en la que hay dos rendijas muy juntas. Si la realidad fuese clásica, sobre la pantalla situada al final sólo habría dos franjas. Como no es así, los haces que salen de las rendijas se interfieren entre sí y en la pantalla se puede observar el típico patrón de interferencia.
Lo alucinante es que si se mandan los electrones de uno en uno también se produce. Pero este patrón desaparece si se observa por cuál de las dos rendijas ha pasado el electrón. Este experimento nos dice que lo que llamamos partícula es un objeto extenso que explora el entorno (la doble rendija) y se comporta como si fuese una onda.
Este mismo experimento se ha realizado con otras partículas. Incluso con moléculas cada vez más grandes para ver dónde está la frontera entre el mundo cuántico y el clásico. Dichos dispositivos han producido franjas de interferencia de moléculas que contienen hasta varios miles de átomos, pero extender la técnica a objetos mucho más grandes es muy complicado, en parte debido a la necesidad de hacer rejillas con espaciamientos cada vez más estrechos.
En el experimento de Stern-Gerlach se establece un gradiente de campo magnético, es decir en donde el campo varía en función de la distancia. Eso se conseguía con imanes esculpidos de una determinada manera.
En el experimento de Stern-Gerlach original se hacía pasar un haz de átomos de plata a lo largo de los imanes. Como este elemento tiene un electrón desapareado se tiene un spin concreto para cada átomo y este puede adoptar dos estados. Si la realidad fuese clásica, al final los átomos de plata hubieran incidido todos ellos en el mismo punto de la pantalla del final de recorrido. Pero como no es así, los átomos llegaron a dos ubicaciones distintas.
Este resultado proporcionó evidencia convincente de que los átomos de plata poseían un momento angular intrínseco y cuantificado al que se llamó spin. Desde entonces se ha repetido este mismo experimento con otras partículas, como por ejemplo electrones. Casi todo lo que se suele explicar sobre las bases de la Mecánica Cuántica y su comportamiento extraño se ejemplifica con este tipo de experimento.
Con este montaje no se puede probar que las partículas estén en estados cuánticos puros y, por lo tanto, que sean capaces de seguir ambas trayectorias simultáneamente. Las partículas individuales pueden haber seguido una trayectoria u otra, en lugar de ambas al mismo tiempo como pasa en la doble rendija.
Para demostrar que dos partículas pueden existir en una superposición cuántica, los investigadores recurren a la interferometría. El objetivo es colocar cada partícula, en dos ubicaciones distintas simultáneamente y luego juntar los dos paquetes de ondas y medir su patrón de interferencia.
Desde hace ya bastante tiempo se ha propuesto modificar el experimento de Stern-Gerlach para hacer interferometría, como en la doble rendija, combinando ambos experimentos. Además, se esperaba hacer esto mismo solamente con campos magnéticos y así evitar hacer rendijas cada vez más complicadas de obtener. De este modo, los campos magnéticos servirían no solo para separar los distintos paquetes de ondas, sino también para volver a unirlos e interferirlos.
Si se hace esto y al final aparece la típica franja de interferencia, se demostraría entonces que existe una relación de fase definida entre los dos paquetes de ondas, que es el sello distintivo de los estados cuánticos puros.
La construcción de un interferómetro de este tipo se ha considerado hasta ahora extremadamente difícil, dado que tanto la posición como el momento de los paquetes de ondas separados deben restaurarse con una precisión muy alta para que se formen las franjas. Sin embargo, los avances recientes en chips de átomos han cambiado la situación.
Ahora una colaboración liderada por Ron Folman (Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel) ha utilizado la tecnología de chip de átomos para construir un interferómetro de este tipo en el que se combinan aspectos de los dos famosos experimentos que hemos descrito.
Estos diminutos circuitos eléctricos atrapan átomos, iones o moléculas justo por encima de su superficie y hacen posible producir fuertes gradientes de campo magnético con mucha más precisión de lo que es posible con las bobinas macroscópicas tradicionales.
Folman y sus colaboradores liberaron átomos individuales de rubidio-87 de una trampa magnética que estaba justo por debajo de un chip de este tipo y usaron un pulso de radiofrecuencia para colocarlos en una superposición de dos estados de spin.
Luego dejaron caer los átomos en caída libre a través de cuatro gradientes magnéticos en rápida sucesión, lo que dividía los paquetes de ondas de cada átomo a lo largo de dos caminos. Más tarde se juntaban de nuevo y finalmente se detenían. Esta configuración de caída libre aseguró el entorno más limpio posible para el experimento. La interferencia es detectada la través de variaciones en la población de spines en lugar de a través de un patrón de franjas espaciales.
Los autores del estudio describen en el artículo publicado en Science Advances cómo se podría utilizar el interferómetro para estudiar la superposición de objetos mucho más grandes. Así, sugieren el empleo de nanodiamantes dopados con un solo átomo de nitrógeno que les proporcione el spin. Diamantes pequeños de este tipo podrían poner a prueba las teorías de colapso objetivo y la gravedad de corto alcance, por ejemplo.
Para usar diamantes como los mencionados en este montaje experimental habría que pasar a los 0,1 nm de precisión en la superposición. Esta última cifra parece muy pequeña pero sólo sería así de grande si se emplean las últimas técnicas de enfriamiento. Sin estas el número sería aún más pequeño. Pese a todo, los autores creen que hay margen de mejora y que se podrá realizar.
Folman dice que su dispositivo podría explorar la Mecánica Cuántica y la gravedad en nuevos regímenes. Así, por ejemplo, detectar el entrelazamiento entre dos de estos dispositivos colocados uno al lado del otro podría poner a prueba las teorías de la gravedad cuántica.
Hay una gran proliferación de teorías cuánticas de la gravedad, pero hasta el momento no hay experimentos u observaciones que nos hagan inclinarnos por unas o por otras (o por ninguna). Si este tipo de montaje tiene éxito a la hora de poner a prueba los aspectos cuánticos de la gravedad se abriría una nueva ventana.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Imagen: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.203003.