El mas hermoso experimento de la Física... qué nunca fue (hasta ahora)...
ó
¿Puede una partícula estar en dos lugares al mismo tiempo?


"Debemos advertirle a Ud. que no debe ni siquiera intentar montar este experimento. Este experimento nunca ha sido realizado de esta manera. El problema es que el aparato debería construirse a una escala imposiblemente pequeña para poder mostrar los efectos que nos interesan" (Feynman, 1963).



Richard Feynman (1918-1988)

Richard Feynman (izq.) fue uno de los últimos grandes físicos teóricos del siglo XX. De una naturaleza algo excéntrica, fue un talentoso científico y un profesor genial y admirado. Una muestra de su talento didáctico es el famoso ejemplo con que iniciaba sus clases de Física Cuántica a comienzos de los años 1960, compiladas posteriormente en el popular libro Feynman Lectures on Physics.

Feynman imaginaba un experimento donde pequeñas partículas de materia iban pasando una tras otra a través de una pantalla con dos ranuras y dejaban una marca sobre una pared detrás de ella. Sorprendentemente, esas marcas no se acumulaban sobre dos líneas justo detras de cada ranura, sino terminaban formando una serie de líneas claras y oscuras.

A partir de esta idea, y con su asombrosa habilidad didáctica, Feynman acompañaba a sus alumnos a concluir que este resultado nunca podría haber ocurrido si cada partícula pasara por una u otra de las dos ranuras. ¡Tenían que atravesar ambas simultáneamente! O sea que ¡debía estar en dos lugares al mismo tiempo! Para que eso fuese posible, cada partícula se debía estar comportando -de alguna manera misteriosa- como una onda.

De esta manera, Feynman había mostrado a sus alumnos un fenómeno que -en sus propias palabras- "es imposible, absolutamente imposible de explicar clásicamente, y que tiene en si el corazón de la física cuántica".


Este experimento era similar al realizado por el gran físico Thomas Young (der.), quien en 1807 había demostrado que, al atravesar dos ranuras, la luz producía una imagen con líneas luminosas y oscuras. Esta efecto de interferencia había ayudado a demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz.

Un siglo más tarde, a partir de uno de los trabajos publicados por Albert Einstein (1879-1955) en su año milagroso de 1905, se llegaría a concluir que la luz era, al mismo tiempo, onda y partícula. En 1923 la misma dualidad sería atribuida a la materia por Louis de Broglie (1892-1987).

El experimento de Young es relativamente simple de realizar. Sin embargo, Feynman nos advertía que sería imposible llevar a la práctica el mismo experimento con partículas de materia.

La dificultad consistiría en que la distancia entre las dos ranuras debería ser de dimensiones atómicas, pues de otra manera la separación entre las líneas de interferencia sería demasiado pequeña como para poder ser observada.

Por supuesto que Feynman estaba consciente de que la interferencia de partículas había sido observada muchísimas veces desde los comienzos de la Física Moderna. Pero también sabía que ninguno de tales experimentos podía demostrar que las líneas de interferencia se producían aún cuando las partículas fuesen enviadas una a una. Este es un aspecto muy importante del concepto de dualidad onda-partícula, y representa otra de las dificultades en el diseño de cualquier experimento como el imaginado por Feynman.

En Youtube puede encontrarse una descripción animada del experimento de Young-Feynman.


Thomas Young (1773-1829)


En una encuesta reciente, la demostración de las dos ranuras con partículas de materia fue elegida como el más hermoso experimento de la Física. Sin embargo, tal como sugeriría la advertencia de Feynman, era posible que este experimento nunca hubiese sido realizado.

No era, por supuesto, que no se hubiese intentado. Pero todos los experimentos realizados adolecían de alguna diferencia con la versión de Feynman. O no se correspondía con el experimento de las dos ranuras propiamente dicho, sino con alguna de dos versiones preliminares imaginadas por Thomas Young en 1801 [Rolles et al 2005] y 1804 [Merli et al 1974, Tonomura et al 1989]; o no podía asegurarse que las partículas llegasen a las ranuras de a una por vez [Jönsson 1961] o -simplemente- el equipo no era de escala atómica [Jönsson 1961, Merli et al 1974, Tonomura et al 1989].

A pesar de ello, y de la muy autorizada afirmación de Feynman que encabeza esta página, en un trabajo publicado en Journal of Physics B [1] en 2004 junto con Matjaz Zitnik del Instituto Josef Stefan de Eslovenia, demostramos la viabilidad de construir un aparato de dimensiones atómicas y realizar el experimento de Feynman a escala atómica y con una partícula por vez.

La idea era recrear ese experimento en un montaje de dimensiones atómicas, donde un electrón emitido desde un átomo tuviera que pasar por la posición de dos protones separados una cierta distancia. El átomo actuaría como la fuente de partículas individuales (los electrones), mientras que los dos protones jugarían el rol de las dos ranuras.

El proceso atómico se repetiría una, otra y otra vez, mientras los electrones recolectados uno a uno irían formando una estructura de interferencia como la que se muestra en la figura de la izquierda. Las diferentes imágenes corresponden a distintas orientaciones de los dos protones.


Tomando como base esta propuesta, el grupo de François Frémont, Jean-Yves Chesnel y Annas Hajaji montó, en el Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) de Caen, Francia, el primer equivalente atómico del experimento propuesto por Feynman, y logró observar una clara imagen de interferencia, algo que no había sido realizado hasta el momento.

Para los entendidos, se trató de la autoionización de Helio inducido por una colisión de doble captura de partículas alfa contra Hidrógeno molecular. En una primera etapa, la partícula alfa captura los dos electrones del Hidrógeno. Después, el átomo de Helio así formado emite un electrón que es desviado por los dos protones resultantes de la fragmentación del Hidrógeno.

En la figura de la derecha se comparan los datos experimentales con la predicción teórica.

Estos resultados fueron presentados en un trabajo publicado recientemente en Physical Review Letters [5]

Recientemente [9, 15], el grupo de "Emisión Electrónica Inducida por Colisiones Atómicas" de la División Colisiones Atómicas del Centro Atómico Bariloche continuó y completó estas mediciones del grupo de Caen, llegando a analizar una región angular donde aparece otro fenómeno sorprendente, el efecto Gloria, descubierto por el capitán español Antonio de Ulloa en 1736.


Referencias:

Publicaciones científicas

[01] R. O. Barrachina and M. Zitnik: Young's interference effect in the autoionization of atoms colliding with molecules, Journal of Physics B 37, 3847 (2004).

[02] R. O. Barrachina and M. Zitnik: Atomic Realization of the Young Single Electron Interference Process in Individual Autoionization Collisions, P. D. Fainstein, M. A. P. Lima, J. E. Miraglia, E. C. Montenegro and R. D. Rivarola eds., Photonic, Electronic and Atomic Collisions. Proceedings of the XXIV Conference (World Scientific, 2006).

[03] R. O. Barrachina: Young Electron Interference Effects in Atomic Ionization Collisions, Radiation Physics and Chemistry 76, 375 (2007).

[04] J-Y. Chesnel, A. Hajaji, R. O. Barrachina and F. Frémont: Experimental evidence for Young's interference effects in autoionization following 30 keV He2+ + H2 collision, Journal of Physics: Conference Series 58, 185 (2007).

[05] J-Y. Chesnel, A. Hajaji, R. O. Barrachina and F. Frémont: Young-Type Experiment Using a Single-Electron Source and an Independent Atomic-Size Two-Center Interferometer, Physical Review Letters 98, 100403 (2007).

[06] F. Frémont, A. Hajaji, R. O. Barrachina and J-Y. Chesnel: A Young-type experiment using a single-electron source and an independent atomic-size two-center interferometer: the realization of a thought experiment, Journal of Physics: Conference Series 88, 012020 (2007).

[07] F. Frémont, A. Hajaji, R. O. Barrachina and J-Y. Chesnel: Interférences de type Young avec une source à un seul électron, Reflets de la Physique 10, 10 (2008).

[08] F. Frémont, S. Suarez, R. O. Barrachina, A. Hajaji, N. Sisourat, A. Dubois and J-Y. Chesnel: Young-type interferences using single-electron sources and an atomic-size two-center interferometer : dependence with interferometer parameters, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B (en prensa).

[09] F. Frémont, D. Gruyer, V. Helaine, K. Fossez, A. Leredde, S. Maclot, A. Lepailleur, A. Hajaji and J-Y. Chesnel, R. O. Barrachina and S. Suárez: A Young double-slit experiment using a single electron source, Capítulo del libro: "Interferometers: Research, Technology and Applications", Frank Columbus ed (Nova Science Publishers, Hauppauge, NY, USA), en prensa.

Presentaciones en conferencias internacionales

[10] R. O. Barrachina and M. Zitnik: Young's interference effect in the autoionization of atoms colliding with molecules, 8th Workshop on Fast Ion-Atom Collisions (Debrecen, Hungría, 2004).

[11] R. O. Barrachina and M. Zitnik: Atomic Realization of the Young Single Electron Interference process in Individual Autoionization Collisions, XXIV International Conference in Photonic, Electronic and Atomic Collisions (Rosario, Argentina, 2005).

[12] J-Y. Chesnel, A. Hajaji, R. O. Barrachina and F. Frémont: Experimental evidence for Young's interference effects in autoionization following 30 keV He2+ + H2 collisions, 13th International conference on the Physics of Highly Charged Ions (Belfast, Gran Bretaña, 2006).

[13] J-Y. Chesnel, A. Hajaji, R. O. Barrachina and F. Frémont: A Young-type Experiment using a Single Electron Source and an Independent Atomic-Size Two-Center Interferometer, XXV International Conference in Photonic, Electronic and Atomic Collisions (Freiburg, Alemania, 2007).

[14] F. Frémont, A. Hajaji, J-Y. Chesnel and R. O. Barrachina: Young-type Electron Interferences in Autoionization of He Atoms colliding with H2: A Projectile Energy Dependence, Seventh International Symposium of Swift Heavy Ions in Matter (Lyon, Francia, 2008).

[15] S. Suárez, D. Fregenal, G. Bernardi, P. Focke, F. Frémont, J-Y. Chesnel, A. Hajaji and R. O. Barrachina: Young-type Interference with Single Electrons in the Autoionization of Atoms by the Impact of Molecules: An Independent Measurement in the Backward Direction, 4th Conference on Elementary Processes in Atomic Systems (Cluj-Napoca, Rumania, 2008).

Charlas invitadas en conferencias internacionales

[16] Special Report: Atomic Realization of the Young Single Electron Interference process in Individual Autoionization Collisions, XXIV Conference on the Photonic, Electronic and Atomic Collisions ICPEAC (Rosario, Argentina, 2005).

[17] Young electron interference effects in atomic ionization collisions, 3rd Conference on Elementary Processes in Atomic Systems, CEPAS (Miskolc, Hungría, 2005).

[18] Progress Report: Interference in He2+ + H2 collisions (dictada por François Fremont), XXV Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions ICPEAC (Freiburg, Alemania, 2007).

[19] Young-type Interferences, Single Electron Sources and an Atomic-Size Two-Center Interferomenter (dictada por François Fremont), 4th Conference on Elementary Processes in Atomic Systems (Cluj-Napoca, Rumania, 2008).

[20] Interferencia de Young con electrones individuales en colisiones de ionización y autoionización, IV Encontro Sul-Americano de Colisões Inelásticas na Matéria (Rio de Janeiro, Brasil, 2008).

Charlas invitadas en centros de investigación

La charla "The most beautiful experiment in Physics... that never was!... Young double-slit interference with single electrons" (El mas hermoso experimento de la Física... qué nunca fue (hasta ahora)... Interferencia de Young con electrones individuales) fue dictada en los siguientes centros de investigación:

[21] Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (Caen, Francia, 21 de Setiembre de 2005).

[22] Department of Physics and Astronomy, University College London (Londres, Gran Bretaña, 4 de Setiembre de 2006).

[23] École Polytechnique (Pailaseau, Francia, 7 de Setiembre de 2006).

[24] Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée DRFMC (Grenoble, Francia, 20 de Setiembre de 2006).

[25] Instituto Balseiro & Centro Atómico Bariloche (Bariloche, Argentina, 23 de Marzo de 2007).


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