Rompiendo la velocidad de la luz: el misterio del túnel cuántico

En un asombroso fenómeno de la física cuántica conocido como túnel, las partículas parecen moverse más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, los físicos de Darmstadt creen que hasta ahora el tiempo que pasan las partículas en el túnel no se ha medido correctamente. Proponen una nueva forma de frenar la velocidad de las partículas cuánticas.

En la física clásica existen reglas estrictas que no se pueden eludir. Por ejemplo, si una bola que rueda no tiene suficiente energía, no subirá la colina, sino que dará la vuelta antes de llegar a la cima y cambiará de dirección. En física cuántica, este principio no es del todo estricto: una partícula puede cruzar una barrera, incluso si no tiene suficiente energía para atravesarla. Se comporta como si se deslizara por un túnel, por lo que este fenómeno también se conoce como “túnel cuántico”. Lo que parece mágico tiene aplicaciones técnicas concretas, por ejemplo en unidades de memoria flash.

Túneles cuánticos y relatividad

En el pasado, los experimentos con partículas más rápidas que la luz han atraído cierta atención. 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 ha «pausado» adecuadamente el tiempo necesario para la construcción de túneles. Los físicos Patrick Schach y Eno Giese de la Universidad de Darmstadt siguen un nuevo enfoque para determinar el «tiempo» de una partícula que hace túnel. Ahora han propuesto una nueva forma de medir este tiempo. En su experimento, lo midieron de una manera que creen que es más adecuada para la naturaleza cuántica de los túneles. Publicaron el diseño de su experimento en la famosa revista. Avance de la ciencia.

Dualidad onda-partícula y túnel cuántico

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

Según el experimento, 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, de forma similar al flujo de agua. La altura de la ola indica la probabilidad de que una partícula se materialice en ese lugar si se midiera su posición. Si un paquete de ondas choca contra una barrera energética, parte de él se refleja. Sin embargo, una pequeña porción penetra la barrera y existe una pequeña posibilidad de que la partícula aparezca al otro lado de la barrera.

Reevaluación de la velocidad del túnel

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

“Pero la partícula no sigue una trayectoria en el sentido clásico”, objeta Eno Giese. Es imposible determinar exactamente dónde estaba una partícula en un momento dado. Esto dificulta hacer afirmaciones sobre el tiempo necesario para llegar de A a B.

Un nuevo enfoque para medir el tiempo de construcción de túneles

Por otro lado, Shash Brief se guía por una cita de Albert Einstein: “El tiempo es lo que lees en el reloj”. Proponen utilizar la propia partícula del túnel como reloj. La segunda partícula no gastada actúa como referencia. Al comparar estos dos relojes naturales, es posible determinar si el tiempo pasa más lento, más rápido o a la misma velocidad durante el túnel cuántico.

La naturaleza ondulatoria de las partículas facilita este enfoque. La oscilación de las ondas es como la oscilación de un reloj. En concreto, Schach y Giese proponen utilizar átomos como relojes. Los niveles de energía de los átomos oscilan a determinadas frecuencias. Después de dirigirse a A maíz Con un pulso láser, sus niveles inicialmente oscilan de forma sincrónica: se pone en marcha el reloj atómico. Durante el túnel, el ritmo cambia ligeramente. Un segundo pulso láser hace que las dos ondas internas del átomo se superpongan. La detección de interferencias permite medir la distancia entre dos ondas de nivel de energía, lo que a su vez es una medida precisa del tiempo transcurrido.

En cuanto al segundo átomo, que no está tunelizado, sirve como referencia para medir la diferencia de tiempo entre cavar túneles y no cavar túneles. Los cálculos de los físicos sugieren que la partícula del túnel aparecerá un poco más tarde. «El reloj excavado en el túnel es un poco más antiguo que el otro reloj», afirma Patrick Schach. Esto parece contradecir los experimentos que atribuyeron la velocidad de la luz a la construcción de túneles.

El desafío de implementar el experimento.

En principio, la prueba podría realizarse utilizando la tecnología actual, afirma Schach, pero supone un enorme desafío para los experimentos. Esto se debe a que la diferencia horaria a medir es sólo de unos 10^-26 Segundos: muy poco tiempo. El físico explica que ayuda utilizar nubes de átomos como relojes en lugar de átomos individuales. También es posible amplificar el efecto, por ejemplo aumentando artificialmente las frecuencias de reloj.

«Actualmente estamos discutiendo esta idea con nuestros colegas experimentales y estamos en contacto con nuestros socios del proyecto», añade Gizzi. Es muy probable que el equipo pronto decida realizar este apasionante experimento.

Referencia: “Teoría unificada de los tiempos de los túneles promovida por los relojes de Ramsey” por Patrick Schach y Eno Giese, 19 de abril de 2024, Avance de la ciencia.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078