Dualidad onda-partícula (o el electrón como onda en el espacio de momentos)

figura 1.

 El post ¿has visto ese lindo electrón?, que alude a que en La Aventura de las Partículas los leptones son dibujados como felinos (electrón – gato, muón – león, y tauón – tigre), parece sugerir que se ha observado por primera vez la onda “cuántica” de un electrón. En mi opinión, no es realmente cierto, aclarémoslo un poco.

La dualidad onda-partícula es el hecho de que un electrón cuando realizamos un experimento para ver su naturaleza como partícula (onda) se comporte como una partícula (onda), siendo fiel reflejo del principio de incertidumbre de Heisenberg, la complementaridad de Bohr, el hecho de que el experimento altera la “naturaleza” del sistema cuántico medido. Muchos experimentos han demostrado esta “doble” naturaleza del electrón (en realidad el electrón no es ni una onda, ni una partícula, sino que es otra cosa que puede ser observada como partícula u onda, según el experimento, pero que no sabemos observar de ninguna otra forma).

El artículo “Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope,” de Mauritsson et al., Physical Review Letters, 22 feb 2008, aparecido en ArXiv en agosto del pasado año, muestra por primera vez una imagen de un electrón en el espacio de momentos, es decir, visto como onda, orbitando en un átomo gracias al mismo efecto estroboscópico que nos hace pensar que los radios de una rueda que se mueve a más de 30 vueltas por segundo parece que, a veces, va hacia atrás. Utilizando pulsos ultracortos (de attosegundos) y gracias a un efecto estroboscópico cuántico han podido observar un electrón a “fogonazos” en periodos de tiempo inferiores al femtosegundo (10^-15 segundos). ¡¡Espectacular!! Una animación la podéis ver aquí en AVI o MOV.

figura 2.

El principio físico de la técnica de estroboscopía cuántica utilizada para capturar el movimiento del electrón se ilustra en la figura 2. Un tren (o una sucesión) de pulsos ultracortos en el régimen de attosegundos, en el ultravioleta (onditas azules dentro de la envolvente roja en la figura 2) que inciden sobre un material, logran la ionización de éste por efecto túnel y que algunos de sus electrones “salten”. Un láser de campo infrarrojo está colocado de tal forma que los electrones “saltan” sobre él. El efecto estroboscópico se consigue sincronizando de forma correcta los pulsos ultravioletas y el láser infrarrojo, de forma tal que sólo un eleectrón y exactamente uno “salta” en cada ciclo del láser (las “bolas” azules en la figura 2). Estos electrones se dispersan conforme se propagan hacia el detector (espectrómetro) donde su distribución de velocidades (momentos) es medida. En el detector estos electrones individuales se comportan como ondas, se superponen allí e interfieren (fenómeno estrictamente ondulatorio), mostrando las espectaculares figuras mostradas en figura 1 y en las animaciones (si no las has visto aún, hazlo ahora).

En las animaciones verás que el patrón de interferencia cuando oscila de arriba a abajo muestra una clara asimetría. Esta asimetría confirma que cada imagen corresponde a la ionización a una fase particular del campo del láser infrarrojo. Como ves en la figura 2, la colocación de las onditas azules en la envolvente roja (fase) es distinta en la figura 2 derecha e izquierda que también muestran que el patrón de interferencia adquiere asimetría (hacia arriba en la figura 2 derecha). Simulaciones por ordenador de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo muestran resultados que son compatibles con los obtenidos experimentalmente (en la figura 1 el lado izquierdo es simulado por ordenador y el derecho obtenido experimentalmente). Que las oscilaciones experimentales en el campo de interferencia coincidan con las esperadas según la teoría cuántica es lo que nos hace pensar que se está observando el campo ondulatorio del electrón.

Lo que los autores de este trabajo han observado es el resultado de las franjas de interferencia de “muchísimos” electrones y no de un sólo electrón como parece indicarse en el post ¿has visto ese lindo electrón? Sin embargo, los autores se amparan en el efecto estroboscópico que igual que la persistencia de nuestra retina a la hora de ver la televisión (un punto luminoso moviéndose por una pantalla de fósforo) nos hace creer que estamos viendo una imagen continua y completa (aunque sólo estemos percibiendo la adición de muchos electrones).

La importancia del resultado obtenido es que se podrá estudiar a escala de sub-femtosegundos ciertos detalles del proceso de ionización átomos en superficies y sus consecuencias en los electrones “emitidos” que eran imposibles de observar sin esta técnica estroboscópica. El artículo “Attosecond Control of Ionization Dynamics,” de los mismos autores será de interés para los que quieran conocer mejor estas técnicas de visualización de la interferencia de paquetes de onda gracias a la modulación por absorción de fotones.

PS (31 de enero de 2009): Esta es la entrada más visitada de este blog durane el año 2008. Aquí tenéis el vídeo de youtube de la imagen del electrón en el espacio de momentos obtenido por los físicos suecos autores de la primera imagen de esta entrada.

Quizás disfrutaréis como yo del experimento de la doble rendija de Hitachi, cuyo vídeo lleva también cierto tiempo en yotube. Todo un clásico.