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Por Chad Orzel, para Forbes Julio 30 de 2017
Escribo sobre física, ciencia, academia y cultura pop.
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He estado envuelto en la escritura de un nuevo libro, así que no me di cuenta de este derecho cuando se publicó, pero hace un par de semanas había un papel en Physical Review Letters titulado Experimental Evidence for Quantum Tunneling Time que vale la pena mencionar aquí. Esto es, como sugiere el título, una investigación de uno de los efectos extraños de la física cuántica, es decir, el fenómeno de "tunelización" en el que una partícula que encuentra una barrera puede llegar al otro lado aunque no tenga suficiente energía Para llegar por medios normales. Esto fue seguido unos días más tarde por un papel similar tomando el lado opuesto en una discusión en curso sobre exactamente cómo funciona esta cosa.
El túnel es, en su corazón, un fenómeno ondulatorio. Debido a que las partículas cuánticas, como los electrones, tienen una naturaleza ondulatoria, no pueden detenerse en un tiempo infinitamente corto, pero tienen que alejarse un poco más lentamente, básicamente por las mismas razones descritas en esta explicación animada del Principio de Incertidumbre: Quiere una distribución de probabilidad similar a la onda para detener repentinamente, necesita agregar un gran número de longitudes de onda para obtener ese filo, lo que significa que perdería toda la información sobre su momento. Un electrón con un momento razonablemente bien conocido, entonces, debe tener cierta incertidumbre en la posición, lo que significa que la función de onda se extenderá en regiones de la partícula no tiene suficiente energía para alcanzar de acuerdo con la física clásica.
Dibujo del proceso de túnel, donde una partícula con propiedades de onda se dispara en una barrera. La probabilidad clásica de encontrar tal partícula (línea negra) cae repentinamente a cero en el borde de la barrera, pero la versión cuántica (línea azul) se extiende hacia e incluso a través de la barrera. (Crédito de la imagen: Chad Orzel)
Si usted tiene un área realmente grande excluida, las consecuencias de esto son bastante insignificantes, ya que no hay mucho camino para medir la presencia de un electrón dentro de un material que está diseñado para excluirlo. Las cosas se ponen interesantes, sin embargo, si se excluye el electrón de sólo una estrecha región del espacio, formando una fina barrera entre dos regiones donde es perfectamente feliz de existir.
Para una partícula clásica, el grosor de la barrera no hace ninguna diferencia — si no puede entrar, no puede entrar y la probabilidad de encontrarla en la región prohibida cae inmediatamente a cero. La partícula cuántica, sin embargo, tiene una función de onda que se extiende en la región prohibida. Esto se cae muy rápido a medida que se mueve en la región donde no debería ser — es generalmente una decadencia exponencial — pero si la barrera es delgada, el valor de la función de onda puede ser diferente de cero cuando llegue al otro lado . Y eso significa que hay alguna probabilidad de encontrar la partícula en el otro lado de la barrera, a pesar de que debería ser imposible para que llegue allí.
Esquema de un microscopio de exploración de túnel: una punta aguda se escanea sobre una superficie, y la corriente de electrones de túnel a la superficie le permite reconstruir la altura. (Crédito de la imagen: Chad Orzel)
Este es un fenómeno extraño, pero tiene enormes aplicaciones prácticas. Por un lado, hace posible que el Sol brille. Es también la base del microscopio de barrido de exploración, que utiliza la decadencia exponencial en la probabilidad de los electrones de túnel a través de un pequeño espacio de aire como una sonda increíblemente sensible de la distancia entre una sonda y la superficie de una muestra. Esta es la tecnología que permite a los científicos hacer imágenes de la materia que resuelven átomos y moléculas individuales sentados en alguna superficie.
Por lo tanto, el túnel es, sin duda, un proceso real, que luego plantea la cuestión de exactamente cómo funciona este negocio. Es decir, ¿qué sucede con la partícula cuando atraviesa la barrera, y cómo afecta el cruce a sus propiedades? En concreto, ¿existe un efecto mensurable del tiempo empleado en el proceso de cruce?
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Estas son preguntas realmente difíciles de responder, porque las escalas de tiempo son tan cortas. Cada vez que comienzas a hablar de tiempo y distancia en física, puedes definir una especie de escala de tiempo natural, es decir, el tiempo necesario para que la luz cruce la distancia pertinente. Con el túnel, se trata de distancias muy pequeñas. El tiempo necesario para que la luz cruce el espesor de un átomo (que es la escala relevante para un STM) es menor que un attosecond (0.0000000000000000001s, si desea ver un montón de decimales). Si vas a buscar un tiempo de retardo asociado con el túnel, necesitas una forma de sincronizar tu experimento en ese tipo de nivel, lo cual es realmente difícil.
En los últimos años, la gente ha estado investigando este proceso usando una técnica de "rayas" con láseres ultrarrápidos. No miden directamente el inicio y el final del proceso de tunelización, pero utilizan un ingenioso truco de análisis para establecer una situación en la que puedan medir un cambio en la trayectoria de los electrones que atraviesan una barrera.
La técnica de rayas comienza con una muestra de átomos, que se rompen con un pulso láser super-intenso que dura sólo unos pocos femtosegundos. Este pulso es suficientemente intenso que no tiene sentido hablar en términos de números inimaginablemente enormes de fotones; En cambio, actúa como un enorme campo eléctrico, que reduce la energía de un electrón en un lado del átomo y lo eleva en el otro. El cambio es casi pero no suficiente para extraer un electrón, pero deja una pequeña barrera que lo sostiene.
Por supuesto, cada vez que tienes una pequeña barrera y una partícula cuántica, obtienes túneles, así que aunque el pulso técnicamente no es lo suficientemente fuerte como para ionizar los átomos, sin embargo, ven algunos electrones libres producidos. Estas escapan a través de túneles, y debido a que el túnel disminuye exponencialmente con el tamaño de la barrera, la gran mayoría del túnel debe ocurrir en una ventana muy corta alrededor del momento en que el pulso es más intenso. Esto proporciona un tiempo de "inicio" razonablemente bien definido para el proceso.
Una vez que los electrones están fuera, son empujados alrededor por el mismo campo eléctrico gigante que los extrajo, y aquí es donde entra la parte "estriada". La dirección exacta del empuje sobre el electrón que se escapa depende de la orientación del campo. El truco inteligente que utilizan para obtener información de temporización es utilizar un pulso de láser polarizado circularmente, donde la dirección del campo eléctrico gira a la velocidad de oscilación del láser. La dirección del empuje inicial, entonces, depende exactamente de cuándo el electrón sale - si emerge instantáneamente, empieza empujado en una dirección, pero si el túnel requiere algún tiempo, entonces el campo de luz ha girado, y se obtiene Empujado en una dirección levemente diferente. Utilizan un detector sensible a la posición para medir exactamente dónde terminan los electrones, lo que dependerá de ese empuje inicial.
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Esto es, por supuesto, un proceso ferozmente complicado, con muchos detalles complicados que podrían confundir la medición. Cuál es donde viene el argumento: los grupos diferentes utilizan métodos diferentes para intentar arreglar esto, y llegan a conclusiones diferentes sobre el tiempo de túnel.
En el papel de Physical Review Letters, se opta por una técnica diferencial: en vez de tratar de asumir la casi imposible tarea de bloquear todos esos factores, observan una diferencia entre dos átomos muy similares: el argón y el criptón, que son Mezclados en su objetivo. El argón y el criptón se sientan uno junto al otro en la columna de gas noble de la tabla periódica, lo que significa que son extremadamente similares químicamente. La única diferencia entre ellos que realmente entra en el experimento actual es el potencial de ionización: toma un poco más de energía para extraer un electrón de argón que el criptón.
Esta diferencia en el potencial de ionización se presenta como una ligera diferencia en la altura y el grosor de la barrera que los electrones tienen que atravesar. Los electrones que abandonan el argón necesitan ir un poco más lejos que los electrones dejando el criptón, lo que significa que si el túnel toma tiempo, debería tardar un poco más en salir. Esto se manifiesta como una pequeña diferencia entre la distribución de la posición de los electrones de los átomos de argón y los electrones de los átomos de kriptón, y eso es lo que miden.
Este es un truco inteligente, porque todo lo demás es el mismo: el mismo detector, el mismo pulso láser, etc. Así que eliminan la mayoría de los posibles factores de confusión y obtienen una diferencia que pueden compararse con las predicciones teóricas. Cuando lo hacen, encuentran que sus resultados son consistentes con la imagen en la que los electrones necesitan algún tiempo para túnel a través de la barrera, y no es fácil de explicar en la imagen donde sólo instantáneamente aparecen en el lado lejano.
¿Entonces, cuál es el problema? Pues bien, el paso "comparar con las predicciones teóricas" es un oso, porque el argón y el criptón son átomos bastante complicados. Por lo tanto, otro experimento, publicado en el arxiv unos días después de que el papel vinculado anteriormente fue publicado intenta un ataque diferente: Trabajan con hidrógeno, que es el único átomo lo suficientemente simple como para permitir cálculos exactos.
La técnica central es la misma: pulso láser intenso ultrarrápido, polarización circular, detección de rayas. La diferencia es que la simplicidad del hidrógeno facilita el cálculo de las trayectorias esperadas para la comparación. Cuando lo hacen, afirman que no hay nada en los datos para indicar un tiempo de túnel finito. Ellos ven una variación en el ángulo dependiendo de la intensidad del láser (que varía la altura de la barrera a través de la cual los electrones deben túnel), pero afirman que esto no se debe al momento del túnel, pero el tirón electrostático del protón a la izquierda detrás. Ellos intentan verificar esto haciendo de nuevo el cálculo de una manera que cierra la fuerza del protón, y no encuentran ningún cambio en la trayectoria con la intensidad del laser. Esto, dicen, indica que el "tiempo de túnel" no puede ser más largo que un par de attoseconds.
Entonces, ¿quién tiene razón? Es difícil de decir, y esto es lo suficientemente lejos fuera de mi zona de confort que es difícil de evaluar. Por un lado, la medición diferencial que compara el argón y el criptón debe eliminar la mayoría de las complicaciones que hacen que la teoría sea difícil de hacer para los átomos de múltiples electrones. Por el otro, sin embargo, todavía no son hidrógeno, y creo que los cálculos de la teoría implican mucho más al hidrógeno que los que implican el argón y el criptón ... Inevitablemente habrá que realizar otros experimentos para refinar y expandir la técnica antes que nada Completamente resuelto, y si usted lee los papeles de cerca, hay un poco de francotiradores allí indicando que esto es probable que sea un proceso largo y contencioso.
Cualquiera que sea el resultado final, sin embargo, estos son experimentos impresionantes. Cuando piensas en lo que está pasando aquí, en términos de distancia y tiempo y física extraña, es bastante sorprendente que puedan ver algo en absoluto, y eso definitivamente vale la pena una entrada en el blog.
Chad Orzel es un profesor de física, autor de ciencia pop y blogger. Su último libro es Eureka: Discovering Your Inner Scientist (Libros Básicos, 2014).
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