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.

[youtube=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.

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



35 Comentarios

  1. 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 !!

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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…

  6. 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.

  7. 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 :*

    1. Jose, en la mecánica cuántica no relativista se usa el concepto de función de onda cuántica que describe la información disponible sobre el estado de un sistema cuántico; dicha función es una magnitud compleja con amplitud y fase. Se habla de “dualidad onda-partícula” para referirse a los dos tipos de experimentos que permiten explorar la función de onda cuántica asociada a la probabilidad de encontrar una partícula en cierta región del espaciotiempo. Los experimentos que exploran la amplitud de la función de onda observan comportamientos tipo partícula (la partícula interacciona o no interacciona con el detector). Los experimentos que exploran la fase de la amplitud de onda observan comportamientos ondulatorios (apareciendo fenómenos de interferencia constructiva o destructiva, cuando las fases se suman o se restan, similares a los que observan entre ondas macroscópicas).

      En un experimento podemos combinar detectores de la amplitud y de la fase, con lo que podemos observar ambas propiedades; dividiendo un haz de partículas en dos haces, podemos detectar partículas en un haz y ondas en el otro haz. En los últimos años se han introducido las medidas débiles y las medidas parciales, es decir, hay maneras de medir ambas propiedades de forma simultánea sobre una misma “partícula-onda”, medir la amplitud condicionada a una fase, o viceversa, con lo que es puede explorar la naturaleza dual de las “partícula-ondas”.

      El concepto de dualidad onda-partícula no tiene sentido para una función de onda cuántica general (cuando se usa una representación que no corresponde a observables de posición). Por ello se considera que, en el contexto de la física cuántica relavista y la teoría de campos cuánticos, es un concepto obsoleto que solo tiene valor histórico; aunque muchos físicos aún siguen abusando de este concepto para “comprender” los resultados de sus experimentos, en rigor, siempre se pueden comprender sin necesidad de usarlo.

  8. Yo creo que la fisica no tiene muy bien definido que es una onda y una particula realmente. mientras que en la fisica cuantica defiende la texis en que no hay diferencia entre onda y una particula por que una particula se comporta como la luz. Aveces es una onda y otras particula.
    La fisica clasica diferencia muy bien lo que es una onda y una particula. particula es aquello que tiene masa y ocupa un espacio una onda tiene masa nula y una velocidad determinada. Entonces si la fisica se contradice que es una particula realmente. Es onda partica o ninguna de las dos

  9. De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.
    Mientras que la fisica clásica defiende la texis que no hay diferencia entre onda y particula.
    Entonces que es una particula. Onda y particula ninguna de las dos o todas a la vez

  10. De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.
    Por otro lado esta la fisica cuantica que defiende la texis de que no hay diferencia entre onda o particula.
    Que es un electrón realmente si no es onda, ni partícula, sino algo que no se puede definir y puede ser observada como partícula u onda, dependiendo el experimento como la dualidad de la luz. Talvez la respuesta este en la ecuacion E=Mc^2 lo que significa que la materia se puede trasformar en energia y viceversa algo muy cotidiano en las centrales nucleares transformando la materia en energia y radiacion o la luz de una bombilla donde los electrones emiten ondas de luz

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 27 febrero, 2008
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Mecánica Cuántica • Noticias • Televisión
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