Detector de dirección desvela algunos misterios del experimento de la doble rendija

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Configuración experimentalUno de los mayores misterios del experimento de la doble rendija – y de la física cuántica en general – es por qué los electrones parecen actuar de forma distinta cuando se les observa y cuando no. Estos patrones de interferencia parecen desaparecer cuando los científicos detectan a través de qué rendija viaja el electrón. Diseñando una versión modificada del experimento de la doble rendija con un nuevo detector de “dirección” de electrones en una de las dos rendijas, un equipo de científicos italianos ha encontrado una pista a por qué este comportamiento electrónico parece cambiar cuando se le observa.

En  uno de los experimentos más famosos de la física cuántica, el experimento de la doble rendija demuestra cómo de diferente es el mundo clásico respecto al cuántico. Cuando se disparan objetos macroscópicos a una barrera con dos rendijas, los objetos viajan a través de las rendijas y dejan dos líneas rectas en el muro tras la barrera. Pero cuando se usan electrones en lugar de objetos macroscópicos, no dejan dos líneas rectas, sino un patrón de interferencia de muchas líneas. Debido a que los patrones de interferencia permanecen incluso cuando se disparan electrones de uno en uno, el experimento parece sugerir que cada electrón, de alguna forma, viaja a través de ambas rendijas a la vez e interfiere consigo mismo, como una onda en lugar de como una partícula.

La segunda parte inusual del experimento de la doble rendija es que los electrones dejan de crear un patrón de interferencia cuando los científicos colocan un detector cerca de una de las rendijas para determinar a través de qué rendija(s) pasa el electrón. Bajo estas circunstancias, los electrones simplemente crean dos líneas rectas, igual que las partículas clásicas.

A través de los años, los científicos han demostrado distintas versiones del experimento de la doble rendija. En el nuevo estudio, los físicos Stefano Frabboni de la Universidad de Módena y Reggio Emilia del Instituto CNR de Nanociencia en Módena, Itania; Gian Carlo Gazzadi del Instituto CNR de Nanociencia; y Giulio Pozzi de la Universidad de Bolonia han presentado otra versión del experimento de la doble rendija usando un microscopio electrónico de transmisión.

“A lo largo de los últimos años, hemos intentado usar nuestra experiencia en la microscopía electrónica de transmisión y la preparación de especímenes de haces de iones centrados para realizar algunos experimentos básicos relacionados con algunos de los “misterios” de la mecánica cuántica, como los señalados por Feynman en sus famossas charlas y libros”, dice Frabboni a PhysOrg.com.

Primero, los científicos usaron un haz de iones centrados para hacer dos nano-rendijas en una barrera. Luego modificaron una de las rendijas cubriéndola con un filtro hecho de varias capaz de materiales de “bajo número atómico” para crear un detector de dirección para los electrones que pasen a través de la misma.

Aunque los electrones (que se dispararon de uno en uno) podrían pasar a través de la rendija filtrada, el filtro provocaba que la mayor parte de los electrones sufrieran una dispersión inelástica en lugar de elástica. Como explican los físicos, un electrón que sufre una dispersión inelástica está situado en la rendija cubierta, y actúa como una onda esférica tras pasar por la rendija. Por contra, un electrón que pasa a través de la rendija no filtrada es más probable que sufra dispersión elástica, y actúe como una onda cilíndrica tras pasar a través de la rendija. La onda esférica y la cilíndrica no tienen correlación de fase, e incluso si un electrón pasara a través de ambas rendijas, las dos ondas diferentes resultantes no pueden crear un patrón de interferencia en el muro de detrás.

Los físicos también encontraron que el grosor del filtro determinaba los efectos de la interferencia: cuanto más grueso era el filtro, mayor era la probabilidad de dispersión inelástica, y por tanto, menores efectos de interferencia. Pudieron hacer el filtro lo bastante grueso para que los efectos de la interferencia se cancelaran casi por completo.

“Cuando el electrón sufre dispersión inelástica, esto significa que su función de onda colapsa tras el acto de la medida, se propaga aproximadamente como una onda esférica desde la región de interacción, sin relación de fase con otros electrones dispersados elástica o inelásticamente”, comenta Frabboni. “El resultado experimental muestra electrones a través de las dos rendijas (por lo que se registran dos brillantes líneas en la imagen cuando se recogen los electrones dispersados elástica e inelásticamente) con efectos de interferencia despreciables en el patrón de difracción Fraunhofer de una rendija formado con electrones elásticos”.

En un estudio diferente, los físicos cubrieron ambas rendijas para ver si se creaban dos ondas esféricas en un patrón de interferencia. Encontraron que, en la intensidad inelástica más débil, no se venían bordes, mientras que se recuperaban los bordes de interferencia en una intensidad muy baja, cuando se tomaban imágenes elásticas.

En general, los resultados sugieren que el tipo de dispersión que sufre un electrón, determina la marca que deja en el muro trasero, y que un detector en una de las rendijas puede cambiar el tipo de dispersión. Los físicos concluyen que, aunque los electrones dispersados elásticamente pueden provocar un patrón de interferencia, los dispersados inelásticamente no contribuyen al proceso.


Más información: Stefano Frabboni, Gian Carlo Gazzadi, and Giulio Pozzi. “Ion and electron beam nanofabrication of the which-way double-slit experiment in a transmission electron microscope.” Applied Physics Letters 97, 263101 (2010). DOI:10.1063/1.3529947

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 21 de enero de 2011
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