miércoles, 28 de marzo de 2012

Nanotecnología y misterios cuánticos

Por Martín Bonfil Olivera
Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM
Publicado en Milenio Diario, 28 de marzo de 2012

La mecánica cuántica, teoría que explica los fundamentos del comportamiento de la materia, está llena de sorpresas y conceptos que van en contra de la intuición.

Uno de los más extraños es la idea de que toda partícula (fotones, electrones, átomos… y hasta un camión) se comporta, a la vez, como una onda. El científico inglés Thomas Young demostró, alrededor de 1807, que un haz de luz se comporta como onda al pasar a través de dos ranuras. Al hacerlo, se divide en dos ondas que interfieren una con otra, provocando que haya zonas de mayor luminosidad (donde las ondas se refuerzan, pues sus crestas y valles coinciden) y otras de casi oscuridad (donde se cancelan mutuamente, pues las crestas de una coinciden con los valles de la otra). La luz forma así un patrón de líneas luminosas y oscuras sobre una pantalla.

El problema es que años después, en 1905, Albert Einstein demostró, mediante su explicación del efecto fotoeléctrico, que la luz está compuesta por partículas: los fotones. Entonces, ¿onda o partícula? Resulta que, de algún modo, ambas respuestas son correctas: la partícula tiene asociada una onda. Hoy se habla de la “dualidad onda-partícula” de la luz, como propuso el físico francés Luis de Broglie en 1924.

Más tarde se ha demostrado que no sólo los fotones se comportan así: en 1961 se repitió el experimento de la doble ranura usando electrones, y posteriormente se ha logrado con neutrones, átomos y hasta moléculas pesadas, como el futboleno (o buckminsterfullereno, formado por 60 átomos de carbono). En todos los casos, al pasar por las rendijas, las partículas forman un patrón de interferencia, mostrando su comportamiento ondulatorio.

Pero lo más sorprendente es que incluso una sola de estas partículas puede interferir ¡consigo misma! al pasar por las rendijas (lo cual se logra haciendo pasar las partículas no en un chorro, sino una por una: el patrón de interferencia se va formando paulatinamente, conforme las partículas se van acumulando sobre la pantalla). Se confirma así, indudablemente, que la materia se comporta también como onda en la escala cuántica.

La gran pregunta es, ¿hasta qué tamaño siguen siendo apreciables esos efectos cuánticos, imperceptibles en el mundo macroscópico en el que vivimos? (no parecen tener efectos, por ejemplo, en el nivel celular, ni en nuestras computadoras o teléfonos celulares…).

Molécula de ftalocianina
y uno de sus derivados fluorados
En el más reciente capítulo de esta carrera por demostrar la interferencia cuántica en tamaños cada vez mayores, Markus Arndt, de la Universidad de Viena, y sus colegas publican en la revista Nature Nanotechnology (25 de abril marzo de 2012) un artículo donde explican cómo lograron obtener un patrón de difracción usando moléculas derivadas de un pigmento llamado ftalocianina, de hasta 114 átomos: las más pesadas hasta ahora. Para ello usaron una combinación de técnicas nanotecnológicas, como la producción de un chorro de moléculas usando un rayo láser, la creación de una rejilla de difracción ultradelgada (menos de 100 nanómetros, o millonésimas de milímetro, que actúa como las ranuras en el experimento) y una técnica de fluorescencia para detectar las moléculas, que quedan adheridas a una superficie de cuarzo que actúa como pantalla (y dejan así un registro fijo del experimento, a diferencia de lo que se había logrado anteriormente).

Dejando de lado la sarta de tonterías que pretenden mezclar la mecánica cuántica con asuntos esotéricos, el trabajo de Arndt y su grupo muestra cómo las más recientes tecnologías de nanofabricación y nanovisualización pueden ayudarnos a explorar mejor dónde se hallan los límites de la mecánica cuántica… si es que los hay.

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11 comentarios:

Norman dijo...

Muy buena la información, gracias. Aunque creo que hay que cambiar esa plantilla del pleistoceno que usan.

Martín Bonfil Olivera dijo...

Ja ja, gracias, cambiaría la plantilla si a) supiera cómo, b) pudiera hacerlo en menos de minutos y c) pensara que tiene alguna utilidad. ¡Me gustan los puntitos sesenteros!

Luis Martin Baltazar Ochoa dijo...

Tocayo, saludos.
Que bueno que planteas este punto, porque hay un asunto que me llamó la atencion hace años y recientemente que se lo planteé a un colega divulgador tuyo, me dijo que no sabia nada de ello... y ahora si como que me quedé pensando si no estaré mal de la sesera.

El asunto es este: en un experimento com el que describes, se hace pasar de particula en particula por un par de ranuras. Hasta ahi todo bien. Pero lo extraño es que si se tapa UNA SOLA de las ranuras, por la otra ya no pasan particulas, no obstante estar abierta la ranura.
La sugerencia del articulo era que parecia que habia cierta propiedad de la materia, que tenia que pasar doblemente las particulas, para poder pasar. O que habia algo como "un fantasma" de la particula material, que si no pasaban ambas, no pasaba ninguna....

¿sabes algo de esto? porque ya empiezo a pensar que imagine esta lectura, aunque estoy seguro de no haberlo imaginado.
Gracias y excelente articulo.

Ribozyme dijo...

Luis Martín: lo que sucede si se tapa una de las ranuras, los electrones siguen pasando por la otra, pero sin patrón de interferencia, ya que se requiere el paso por ambas para que éste se dé. Más interesante aún, si se pone un sistema de detección en las ranuras para ver por cuál de ellas pasa el electrón en cada ocasión, también desaparece el patrón de interferencia. La acción de la medición colapsa el comportamiento cuántico de indeterminación onda/partícula que provoca a dicha interferencia, y entonces los electrones se comportan clásicamente, como si fueran pelotitas.

Ribozyme dijo...

Aquí lo explican muy bien:

http://www.empiricalzeal.com/2011/06/10/why-a-quantum-particle-is-not-like-a-water-drop-a-tale-of-two-slits-part-1/

Grr dijo...

Tal como dice Ribozyme, no es que no pase si sólo hay una rendija, es que entonces no hay interferencia.

Y hay un error en lo que dice Martín Bonfil: la partícula-onda NO interfiere con sí misma. Interfiere con las demás aunque pasen de una por una. Como él mismo dice, se necesita que se vayan acumulando las partículas detectadas para formar el patrón de interferencia, lo que no sería necesario si interfiriera con ella misma.

John Gribbin pone un ejemplo aparentemente aún más extraño: si se hacen mil experimentos con las dos rendijas abiertas y sin detectores en ellas, cada uno disparando una partícula y se juntan los resultados, se forma la figura de interferencia.

Esto no es realmente extraño, sino sólo una confirmación de la naturaleza estadística del fenómeno.

Una cosa más: NO hay tamaño máximo. Teóricamente se puede hacer con bolas de billar. El problema es que las características ondulatorias son inversamente proporcionales a la masa y entonces la difracción de una bola de billar es de fracciones de ansgtrom. Los experimentos con moléculas confirman esto.

NaNo dijo...

Todo puede ser...

NaNo dijo...

Todo puede ser...

discotecas barcelona dijo...

muy buen post! me encanta el blog felicitaciones!

Luis Martin Baltazar Ochoa dijo...

"...Una cosa más: NO hay tamaño máximo. Teóricamente se puede hacer con bolas de billar. El problema es que las características ondulatorias son inversamente proporcionales a la masa y entonces la difracción de una bola de billar es de fracciones de ansgtrom. Los experimentos con moléculas confirman esto..." ¡no cabe duda que siempre se puede aprender un poco mas!

Esta afirmacion inicial del Tocayo, de que la caracteristica ondulatoria no se limita al microcosmos, me habia desorientado respecto de ¿si es asi por que no se percibe este movimiento? pero ya con esta última información, queda mas que claro: toda la materia ondula, pero no toda es perceptible.

En fin, muy complacido de "copiarles" su tarea, estimados.

Grr dijo...

"¿si es asi por que no se percibe este movimiento?"

Porque la mayoría de los fenómenos extraños de la teoría cuántica sólo tienen magnitudes relativamente importantes cuando se esta muy cerca del órden de magnitud de la Constante de Planck.

En los órdenes de masa y velocidad de los objetos cotidianos, la mayoría de los efectos cuánticos son indistinguibles.

Y por eso, los artilugios que las vuelven distinguibles, como macropartículas cuánticas hechas de helio líquido y cosas similares, son tan impactantes.