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

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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.

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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.

http://es.youtube.com/watch?v=ofp-OHIq6Wo

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

http://es.youtube.com/watch?v=ZJ-0PBRuthc

32 Comentarios

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ELIXELIX

INCREIBLE!! SE CONFIRMA EL COMPORTAMIENTO COMO ONDAPARTICULA DEL ELECTRON ALGO COMPLEJO PARA MUCHOS PERO REAL I LA ANIMACION MAS SORPRENDENTE AUN HA ESTE PASO MUCHOS ENIGMAS DE LA FISICA CUANTICA SERAN DEVELADOS MAS AUN CON EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES HUYYUYUY HAY QUE ESTAR ATENTOS !!

RogelioRogelio

No puedo creerlo… realmente es sorprendente que gracias a la ciencia conozcamos los misterios maravillosos del mundo atòmico

Aron GarciaAron Garcia

Creo que el silencio dice mas que mil palabras…
A seguir estudiando, investigando y descubriendo! Un saludo!

Hugo LuchettiHugo Luchetti

Electrón y Física Simbólica:

Cuando movemos símbolos al hablar o al pensar, usamos átomos que forman moléculas al “instante”. También interaccionamos esos símbolos “con todos los demás… de la Mente Global
o cantidad de habitantes terrestres.
La información es la función de onda
de esa mente global, intersectándose.
De manera que cuando se repiten palabras que “oímos” resonando sin
motivo aparente estamos escuchando
el baile de los spines electrónicos,
otro modo, no de ver sino de “ver con
los oídos” la tarea de la energía.
Chau, gracias.

SinitaSinita

Que bueno que se explique y se de a entender lo que es la naturaleza dual o doble naturaleza (onda-particula) :D

Jorge R. LoayzaJorge R. Loayza

Comportamiento del Electrón

José Pedro, no es necesario escribir palabras soeces (vulgaridades, porque hay que tener mucho cuidado con los niños, ellos también ven y leen estas páginas, además todos merecemos respeto, desde los niños, adultos y ancianos) cuando no conoces, no sabes, no entiendes el tema, por lo tanto eres un ignorante del tema, en este caso de Física de Partículas Fundamentales; probablemente sepas y conozcas otros temas, bien por tí, pero no peques de ignorante, mejor quédate cayado y observa (ve, mira, estudia), escucha, lee, para que así estés informado de lo nuevo que muestra la Física Experimental en este siglo XXI.

Lo que se ve en estos videos, no se había visto antes (hasta finales del pasado siglo XX), porque no había la tecnología apropiada para poder observar por ejemplo el comportamiento de un Electrón, entonces, tanto investigadores como estudiantes de ciencias e ingeniería, suponían virtualmente (se imaginaban) cómo debería ser un Electrón, como parte de un Átomo; en tiempos pasados, se decía que un Electrón tenía una forma esférica y que éste giraba alrededor del núcleo (similar al sistema planetario solar).

Pero con la Física Quántica se definió mejor el electrón, para empezar, no es una esfera, y sus movimientos son tan rápidos, del orden de 0.000000000000000001 (se lee un trillonésimo) de segundo, o también se puede escribir en forma abreviada 1×10-18 (se lee uno por diez elevado a la potencia menos dieciocho) de segundo, y la unidad de medida es el femto-segundo (en la Química, se aplica esta unidad de medida a la medición del tiempo de enlaces moleculares que son extremadamente rápidos), y el atto-segundo (en Física, se aplica esta unidad de medida, sobre todo en la medición de la velocidad en sistemas dinámicos, a nivel atómico-partículas); además, el Electrón no se puede ubicar exactamente en una posición, y menos dónde se encuentra en un determinado momento (el tiempo-espacio, es un invento humano para poder comprender o entender mejor el comportamiento natural del Universo, lo aplicó por primera vez Alberto Einstein en su Teoría de la Relatividad). Entonces, tenemos que las propiedades básicas de átomos y moléculas de los sólidos, se rigen por la dinámica de los electrones. También sabemos que el Electrón oscila 9,192,631,770 veces en un segundo, por lo que un año no tiene 365 días, 5 horas, 48 minutos y 45.51 segundos, sino más o menos 290,091,200,500,000,000 oscilaciones del átomo de Cesio.

Y puedo seguir explicando más sobre este asunto, o sobre Física Quántica; por ejemplo, actualmente los populares teléfonos celulares (portátiles e inalámbricos con conexión vía satélite) que la gran mayoría de la población global (mundial) utiliza para comunicarse en cualquier instante y en cualquier lugar de nuestro planeta Tierra, están diseñados en base a la aplicación de la Física de Altas Energías (Física Electrónica).

Un cordial saludo a todos los que leen esta página

Sin otro particular de momento, estoy a sus órdenes para lo que quieran debatir al respecto, lo haré con mucho gusto.

Gracias,

Dr. Prof. Jorge Revilla Loayza, Doctor of Philosophy in Higher Education. Profesor de Ingeniería Fisca, del Sistema Nacional de Educación Superior en Institutos Tecnológicos de México

KlilianKlilian

Da la impresion que estubieramos cerca de la verdad en medio de la neblina!

jorge francisco diaz clemantjorge francisco diaz clemant

me encanta todos estos temas gracias ..¡¡ soy un nerd

wendy julianawendy juliana

jajajjajajajajajajajajajjajajajajjaja….. boba no es kimik es fisik jajajajajajajaja
pero igual aburre

MiGUi

El caso es que parecen hoygans que quieren dejar de serlo, porque si no, qué coño hacen en páginas de ciencia? Son como náufragos en el internec xD

CLAUDIA G. TORRES JCLAUDIA G. TORRES J

GRACIAS. MUY BUENOS RECURSOS. EN TODAS MIS PRESENTACIONES DE POWER POINT PONGO EN TAMAÑO LETRA 8 LA FUENTE. GRACIAS. CON RESPETO Y CARIÑO. UNA PROFESORA DE CHILE.

Roberto PoissonneauRoberto Poissonneau

Lamento comentar que el clásico experimento de Hitachi es un “CRASO ERROR” de interpretación. Lo que en realidad se, ve luego de “el tiempo suficiente” (leer el artículo original en la página de Hitachi) es una mescla de frecuencias entre los períodos de disparo del electrón y la repetición de barrido en la pantalla del monitor. Este fenómeno en electrónica se llama batido y se utiliza para contruir un generado de barras herramienta útil para calibrar las pantallas de los TV instrumento clásico inventado en los albores de la televisión en blanco y negro. esa misma imagen, ya como foto, se utiliza en las emisoras en los horarios de cierre y apertura de transmisión.

tonytony

muy interesante lo de dicho fenòmeno. Me gusta mucho esos temas pero no se mucho sobre ellos. A pesar de eso tengo curiosidad por saber mas…
Saludos y hasta pronto…

ferid hasbunferid hasbun

Algún día encontraremos las respuestas y la realidad sera tangible como la lluvia sobre nuestro rostro…

OsvaldoOsvaldo

La luz es onda o partícula o ambos?
Creo que el ejemplo de las doble rendija no es aplicable a la dualidad dado que la luz “fotónica” se comporta como partículas, y la vemos como tal cuando analizamos los fotones que pasa por cada una de ellas. Si el espacio entre las rendijas (la aplico a una única rendija y digo que el ciclo de actividad Þ =1) es igual al ancho de la misma, el Þ =1/2 y la distribución energética obedece a la misma distribución energética aplicada en la transformada de Fourier de una onda cuadrada analizada en el espectro de frecuencias (Notación de Woodward), lo mismo si la relación Þ=1/3, aparecen tres bandas y así sucesivamente. No es mas que una relación energética dada por la relación Þ. Si estoy en un error, espero una explicación contradictoria, se los voy a agradecer mucho.

cristiel y michelcristiel y michel

hello ha todos somos michel y cristiel y les queremos comentar de que DIOS les dio ha aquellos personajes les dio sabiduría ¿quien? sino ¡DIOS! bueno arrivererchi vay vay :) ;) y recuerden lo que les acabo de decir un :*

AmelAmel

Muchasssss graciasssss….LA MECÁNICA CUÁNTICA revolucionará este mundo tal y como lo conocemos:::ordenadores cuánticos, medicina cuántica….etc.

Desidiactivo

Help! No puedo ver esta animación: “¡¡Espectacular!! Una animación la podéis ver aquí en AVI o MOV.” Igual desde 2008 hasta ahora han cambiado el enlace :(

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