En un asombroso fenómeno de la física cuántica llamado túnel, las partículas parecen moverse más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, los físicos de Darmstadt creen que hasta ahora no se ha medido correctamente el tiempo que tardan las partículas en entrar en un túnel. Proponen un nuevo método para detener la velocidad de las partículas cuánticas.

En la física clásica existen leyes estrictas que no se pueden eludir. Por ejemplo, si una bola que rueda carece de energía, no subirá una colina; en cambio, volverá a bajar antes de llegar a la cima. En física cuántica, este principio no es tan estricto. Aquí, una partícula puede cruzar una barrera, incluso si no tiene suficiente energía para cruzarla. Actúa como si se deslizara por un túnel, por lo que este fenómeno también se conoce como «túnel cuántico». Lejos de ser una simple magia teórica, este fenómeno tiene aplicaciones prácticas, como en el funcionamiento de las unidades de memoria flash.

Túneles cuánticos y relatividad

En el pasado, llamaron la atención los experimentos en los que las partículas penetraban más rápido que la luz. Después de todo, la teoría de la relatividad de Einstein prohíbe velocidades más rápidas que la luz. Por lo tanto, la pregunta es si en estos experimentos se “detuvo” correctamente el tiempo necesario para la construcción de túneles. Los físicos Patrik Schach y Enno Giese de la Universidad Técnica de Darmstadt están siguiendo un nuevo enfoque para definir el «tiempo» de una partícula en túnel. Ahora han propuesto un nuevo método para medir este tiempo. En su experimento, lo miden de una manera que creen que se adapta mejor a la naturaleza cuántica de los túneles. Publicaron el plan de su experimento en la famosa revista. Los científicos progresan.

Dualidad onda-partícula y túnel cuántico

Según la física cuántica, las partículas pequeñas como los átomos o las partículas ligeras tienen una naturaleza dual.

Según los experimentos, se comportan como partículas o como ondas. Los túneles cuánticos resaltan la naturaleza ondulatoria de las partículas. Un “paquete de olas” rueda hacia la barrera, comparable a una ola de agua. La altura de la onda indica la probabilidad con la que la partícula se materializaría en ese lugar si se midiera su posición. Si el paquete de ondas choca contra una barrera energética, parte de él se refleja. Sin embargo, una pequeña porción atraviesa la barrera y existe una pequeña probabilidad de que la partícula aparezca al otro lado de la barrera.

Reevaluación de la velocidad del túnel

Experimentos anteriores observaron que una partícula ligera viajaba una distancia más larga después de hacer un túnel que una partícula con camino libre. Por tanto, habría viajado más rápido que la luz. Sin embargo, los investigadores tuvieron que definir la ubicación de la partícula después de su paso. Eligieron el punto más alto de su paquete de ondas.

“Pero la partícula no sigue una trayectoria en el sentido clásico de la palabra”, objeta Enno Giese. Es imposible decir exactamente dónde se encuentra la partícula en un momento dado. Por tanto, es difícil decir cuánto tiempo llevará llegar del punto A al punto B.

Un nuevo enfoque para medir el tiempo de construcción de túneles

Schach y Giese, por su parte, se inspiran en una cita de Albert Einstein: “El tiempo es lo que se lee en un reloj. » Sugieren utilizar la propia partícula del túnel como reloj. Una segunda partícula que no forma un túnel sirve como referencia. Al comparar estos dos relojes naturales, es posible determinar si el tiempo pasa más lento, más rápido o igual de rápido durante el túnel cuántico.

La naturaleza ondulatoria de las partículas facilita este enfoque. La oscilación de las ondas es similar a la oscilación de un reloj. Más concretamente, Schach y Giese proponen utilizar átomos como relojes. Los niveles de energía de los átomos oscilan a determinadas frecuencias. Después de enviar un átomo Con un pulso láser, sus niveles inicialmente oscilan sincronizados: se pone en marcha el reloj atómico. Sin embargo, durante el túnel el ritmo cambia ligeramente. Un segundo pulso láser provoca que las dos ondas internas del átomo interfieran. La detección de interferencias mide la distancia entre las dos ondas de niveles de energía, que es una medida precisa del tiempo transcurrido.

Un segundo átomo, que no forma un túnel, sirve como referencia para medir la diferencia de tiempo entre la formación de túneles y la no formación de túneles. Los cálculos de los dos físicos sugieren que la partícula túnel mostrará un tiempo ligeramente retrasado. «El reloj del túnel es un poco más antiguo que el otro», explica Patrik Schach. Esto parece contradecir los experimentos que atribuían velocidad superluminal al túnel.

El desafío de implementar el experimento.

En principio, la prueba se puede realizar con la tecnología actual, explica Schach, pero para los experimentadores supone un gran desafío. De hecho, la diferencia horaria a medir es sólo de unos 10^-26 segundos: un tiempo extremadamente corto. Es útil utilizar nubes de átomos como relojes en lugar de átomos individuales, explica el físico. También es posible amplificar el efecto, por ejemplo aumentando artificialmente las frecuencias de reloj.

«Actualmente estamos discutiendo esta idea con colegas experimentadores y estamos en contacto con nuestros socios del proyecto», añade Giese. Es muy posible que pronto un equipo decida llevar a cabo este apasionante experimento.

Referencia: “Una teoría unificada de los tiempos de túneles promovida por los relojes de Ramsey” por Patrik Schach y Enno Giese, 19 de abril de 2024, Los científicos progresan.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6078