Imágenes de átomos en movimiento ondulatorio cuántico

Físicos del Laboratorio Kastler Brossel de París han desarrollado una nueva y potente técnica para observar directamente el comportamiento ondulatorio de átomos individuales en su desplazamiento por el espacio. Mediante el control preciso de átomos ultrafríos con láseres y la obtención de imágenes con un microscopio de última generación, los investigadores han captado algunas de las pruebas más claras hasta la fecha de las ondas de materia en acción. Sus hallazgos, publicados recientemente en un preprint, ofrecen una interesante visión del misterioso mundo cuántico de las partículas individuales.

Todas las partículas tienen propiedades tanto de partícula como de onda, según las extrañas reglas de la mecánica cuántica. A escala atómica o menor, los objetos se comportan sutilmente como ondas aunque sigan siendo partículas claramente contables. Experimentos anteriores han estudiado indirectamente las ondas de la materia a través de efectos de dispersión, pero la obtención directa de imágenes de ondas atómicas individuales ha resultado todo un reto. El equipo francés ha intentado cambiar esta situación desarrollando un método para proyectar suavemente las funciones de onda atómicas sobre una red óptica y, a continuación, localizar las posiciones atómicas con imágenes de una sola partícula.

Joris Verstraten, Kunlun Dai, Maxime Dixmerias, Bruno Peaudecerf, Tim de Jongh, Tarik Yefsah

Preparación e imagen in situ de paquetes de ondas de un átomo. (a) Esquema de medición: Los átomos individuales se preparan cerca del estado fundamental del oscilador armónico de sitios individuales de una red óptica triangular creada por un haz láser autointerferente con vectores de onda 𝐤𝟏, 𝐤𝟐 y 𝐤𝟑. Los paquetes de ondas inicialmente atrapados en los pozos de la red, caracterizados por una distribución de densidad de probabilidad gaussiana |𝜓0(𝐫)|2 , se liberan en un plano, lo que les permite expandirse durante un tiempo determinado. Para obtener imágenes después de la expansión, la red se eleva rápidamente de nuevo, proyectando el paquete de ondas, y se aplica el enfriamiento Raman de banda lateral para fijar el átomo en un solo sitio. Las posiciones atómicas resultantes se registran mediante imágenes de fluorescencia resueltas en el sitio. A partir de muchas repeticiones de paquetes de ondas preparados de forma idéntica creamos histogramas de las posiciones proyectadas con una discretización dada por la estructura de la red, lo que da como resultado una distribución de probabilidad medida |𝜓0(𝐫)|2. (b) Imagen experimental resuelta de un átomo. El panel superior derecho muestra una subregión que contiene un átomo individual. El panel inferior derecho muestra una región ampliada de la imagen sobre la que se muestra como puntos blancos la estructura de red triangular reconstruida con un espaciado de 𝑎𝐿=709 nm. (c) Configuración experimental de la trampa dipolar óptica oblonga que confina los átomos en un plano bidimensional, los haces Raman (R1, R2 y RP) utilizados para la refrigeración y la obtención de imágenes, y el objetivo del microscopio. (d) Vista superior de la configuración experimental, mostrando la geometría del haz de la red óptica.

Sus resultados dan credibilidad a una atrevida conjetura: que, a macroescala, todo el universo puede entenderse como una gran onda energética de materia, y nuestra percepción de la realidad no es más que la interpretación consciente de este flujo cuántico constante. Átomos, personas, planetas, galaxias... todo podría describirse como patrones probabilísticos recurrentes dentro de un movimiento cósmico sin fin. Nada permanece realmente quieto según esta perspectiva, lo que explica por qué los físicos nunca han encontrado el reposo absoluto en sus investigaciones de la naturaleza.

Al abrir una ventana a las elusivas funciones de onda cuánticas, este trabajo nos acerca un paso más a la visualización completa del mundo cuántico. Los investigadores franceses han llevado la microscopía cuántica atómica a un nuevo nivel al capturar algunas de las imágenes más claras hasta la fecha de partículas que obedecen a su doble naturaleza onda-partícula. Sus resultados suponen una asombrosa confirmación de las extravagantes reglas de la mecánica cuántica y abren apasionantes vías para el descubrimiento directo en las escalas más profundas de la naturaleza.

Referencia(s)

1. 1.  https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05699

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