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Enormes moléculas pueden exhibir la dualidad onda-partícula de la teoría cuántica

Investigadores de Austria han creado lo que ellos llaman “los gatos de Schrödinger más gordos hasta el momento”. Han demostrado la superposición cuántica —situación en la cual un objeto existe en dos o más estados simultáneamente— en moléculas compuestas de hasta 430 átomos cada una, varias veces mayores que las moléculas utilizadas antes en estos experimentos.

En el famoso experimento mental ideado por Erwin Schrödinger en 1935 para ilustrar las aparentes paradojas de la teoría cuántica, podría envenenarse a un gato, o no, dependiendo del estado de un átomo, y este estado de un átomo es definido por las reglas de la cuántica. Como la teoría cuántica requiere que las reglas permitan superposiciones, parecía que el gato de Schrödinger puede existir en una superposición de estados, es decir, estar al mismo tiempo “vivo” y “muerto”.

Esta paradoja destaca la cuestión de cómo y cuándo las reglas del mundo cuántico —en que los objetos tales como los átomos pueden existir en varias ubicaciones a la vez— dan paso a la mecánica “clásica”, que gobierna el mundo macroscópico de nuestra experiencia cotidiana, donde las cosas deben ser una forma u otra, pero no ambas a la vez. Esto es lo que se conoce como transición de cuántica a clásica.

Hoy se piensa que lo cuántico se pierde en un proceso que se conoce como decoherencia, en el que las perturbaciones del entorno inmediato hacen que la función de onda cuántica que describe las superposiciones de muchos estados parezca colapsar en un estado único, clásico, bien definido. Esta decoherencia tiende a hacerse más pronunciada cuanto mayor es el objeto, debido a que aumentan las oportunidades de interactuar con el entorno.

Una manifestación de la superposición cuántica es la interferencia que puede producirse entre partículas cuánticas que pasan a través de dos o más rendijas estrechas. En el mundo clásico las partículas pasan a través de ellas con trayectorias que no cambian, como una esfera rodando a través de una puerta.

Sin embargo, las partículas cuánticas pueden comportarse como ondas que interfieren entre sí cuando pasan por las rendijas, ya sea amplificándose o cancelándose para producir una serie de bandas oscuras y brillantes. Esta interferencia de las partículas cuánticas, observada por primera vez para los electrones en 1927, es en efecto el resultado de cada partícula pasando a través de más de una rendija: Una superposición cuántica.

Cuando el experimento se va aumentando de escala, en algún punto el comportamiento cuántico (interferencia) debería dar paso al clásico (sin interferencias). Pero, ¿cuán grandes pueden ser las partículas antes de que esto suceda?

Aumento de escala

En 1999, un equipo de la Universidad de Viena demostró el efecto en un experimento con múltiples rendijas usando haces de moléculas de carbono de 60 átomos (C60), que tienen la forma de esferas huecas. Y ahora, Markus Arndt, uno de los investigadores implicados en el experimento, y sus colegas de Austria, Alemania, Estados Unidos y Suiza, han demostrado un efecto muy similar para moléculas considerablemente mayores, creadas a medida para el propósito, de hasta 6 nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro y formadas por 430 átomos. Éstas son mayores que algunas moléculas pequeñas de proteína, como la insulina.

En el experimento del equipo, los haces de moléculas pasan a través de tres conjuntos de rendijas. La primera rendija, hecha sobre una rodaja de nitruro de silicio cortada en forma de una rejilla que con rendijas de 90 nanómetros de ancho, fuerza al haz de moléculas a un estado coherente, en el que la materia queda con sus ondas alineadas. La segunda, una “rejilla virtual” hecha de luz láser conformada por espejos en una onda estable de luz y oscuridad, provoca el patrón de interferencia. La tercera rejilla, también de nitruro de silicio, actúa como una máscara para admitir que sólo partes del patrón de interferencia incidan en un espectrómetro de masas cuadripolar, que cuenta la cantidad de moléculas que pasan por él.

Los investigadores informan en Nature Communications que este número aumenta y disminuye periódicamente, conforme el haz de salida es desplazado de izquierda a derecha, mostrando así que la interferencia, y por lo tanto la superposición, está presente.

Aunque esto puede no sonar parecido al experimento del gato de Schrödinger, comprueba los mismos efectos cuánticos. Es, esencialmente, como disparar los gatos a través de la rejilla de interferencia en lugar de hacer que el destino de un único gato sea contingente con un evento de escala atómica.

El físico cuántico Martin Plenio de la Universidad de Ulm en Alemania dice que el estudio es parte de una importante línea de investigación. “Tal vez no hemos logrado una profunda nueva visión de la naturaleza de la superposición cuántica con este experimento específico”, admite, “pero hay esperanza de que con un mayor refinamiento de la técnica experimental por fin llegaremos a descubrir algo nuevo”.

Arndt dice que, eventualmente, estos experimentos podrían llegar a permitir comprobaciones de aspectos fundamentales de la teoría cuántica, tales como de qué forma colapsan las funciones de onda bajo observación. “Las predicciones, tales como que la gravedad podría inducir el colapso de la función de onda más allá de un cierto límite de masa, debería poder comprobarse experimentalmente con masas significativamente mayores en un futuro lejano”, comenta.

¿Se pueden poner organismos —tal vez no gatos, sino microorganismos como las bacterias— en estados de superposición? Se ha propuesto hacerlo con virus, ya que los más pequeños tienen apenas unos nanómetros de diámetro; aunque no hay consenso sobre si los virus deberían considerarse realmente vivos. “Las moléculas hechas a medida son mucho más fáciles de manejar que los virus en experimentos así”, dice Arndt. Pero añade que si pueden solucionar varios problemas técnicos, “no veo por qué no debería funcionar”.

Fuente: Nature News. Aportado por Eduardo J. Carletti


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