Un nuevo experimento vuelve más alucinante a la mecánica cuántica

Los electrones pueden viajar simultáneamente a diferentes velocidades dentro de un túnel cuántico: es como si en una autopista un coche viajara a una velocidad por un carril lento y sus pasajeros mucho más deprisa por el carril rápido.

El físico teórico norteamericano y Premio Nobel Richard Feynman dijo en 1964: “creo que puedo decir con toda seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica".

Un nuevo experimento ha venido a ratificar, una vez más, esta reflexión, que en su día sorprendió al mundo. Desarrollado por investigadores de las universidades de Cambridge y Frankfurt, descubrió que los electrones actúan de forma sorprendente cuando se mueven a lo largo de un cable cuántico.

Dicho metafóricamente, tienen la capacidad de utilizar dos carriles de una misma autopista y de recorrer un trayecto a dos velocidades diferentes al mismo tiempo. Aunque el ejemplo tiene sus matices.

Cuando hablamos de electrones nos referimos a partículas subatómicas con carga eléctrica negativa. La carga eléctrica es una propiedad física de algunas partículas elementales: se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos.

Misterios por resolver

Los electrones, descubiertos en 1895, son uno de los componentes más fundamentales de nuestro universo, pero todavía guardan algunos secretos que desconciertan a los científicos modernos.

Además de carga eléctrica, los electrones tienen una propiedad intrínseca llamada espín, por el cual tienen un momento angular de valor fijo. Desde 1920 sabemos que los electrones poseen múltiples espines.

Este espín o giro del electrón es importante para influir en cómo interactúa con otros electrones, o cómo se comporta ante un campo magnético.

Desde 1950 se predijo que las excitaciones del espín y de la carga eléctrica viajan a velocidades fijas, pero diferentes, cuando los electrones circulan en el interior de conductor unidimensional (por ejemplo, hilos cuánticos como los nanotubos de carbono). La nueva investigación lo ha confirmado ahora en un cable cuántico.

Cables cuánticos

Aunque similares a los de cobre, los cables cuánticos tienen peculiaridades específicas. Fabricados con nanotubos, generalmente de carbono, los cables cuánticos son especialmente prometedores para la navegación espacial: permitirán llegar mucho más lejos a las sondas espaciales, aunque todavía no están operativos para esos usos.

Uno de los desafíos a superar para el uso de los cables cuánticos en sus potenciales aplicaciones, es desentrañar qué sucede en su interior, porque las interacciones que se cruzan los electrones cuando lo atraviesan son demasiado complejas.

La nueva investigación ha aclarado un poco más este misterio: al excitar a los electrones presentes en un cable cuántico, los investigadores observaron que las cargas y espines del mismo electrón se separaron en un “carril rápido” y un “carril lento”.

Volviendo al ejemplo de la autopista, lo que han descubierto estos investigadores es que un coche (en este caso la carga del electrón) viaja a 80 kilómetros por hora por el carril lento, mientras que los pasajeros (los espines) viajan por el carril rápido a mucha más velocidad.

¿Coches separados?

También comprobaron que los cambios en las velocidades del coche y de los pasajeros no altera para nada el hecho de que se comportan como si viajaran en coches separados.

Los matices no terminan aquí, explica Oleksandr Tsyplyatyev, uno de los investigadores, en un

comunicado

: “lo que es importante aquí es que ya no estamos hablando de electrones sino, en cambio, de (cuasi) partículas compuestas de espín y carga, comúnmente denominadas espinones y holones, respectivamente”.

Y añade: “durante mucho tiempo se pensó que estas cuasi partículas se volvían inestables a energías tan altas, pero lo que se observa ahora apunta exactamente a lo contrario: parecen comportarse de una manera muy similar a los electrones normales, libres y estables, cada uno con su propia masa, excepto que no son, de hecho, electrones, ¡sino excitaciones de todo un mar de cargas o espines!”.

Eso significa, siguiendo con el ejemplo de la autopista, que los coches que viajan a dos velocidades simultáneamente, en realidad no son coches, sino algo completamente diferente e indefinido, compuesto por el material del coche (carga eléctrica del electrón) y sus pasajeros (espines del electrón).

Cuando ese compuesto recorre una autopista particular, coches y pasajeros dejan de comportarse como una unidad y se separan para convertirse en un mar cuántico en el que ambos pierden su compostura original y se comportan como olas en el océano. Tsyplyatyev los llama cuasi partículas (o cuasi coches), aunque no por ello dejan de ser coches (electrones) propiamente hablando. Imposible, pero real.

Comprensión difícil

Resulta difícil asimilar este comportamiento cuántico desde la óptica del mundo ordinario en el que nos desenvolvemos, pero los investigadores intentan averiguar ahora si lo observado en su experimento puede aplicarse en otros contextos más complejos y sofisticados, es decir, en autopistas diferentes a la creada para el experimento. Por ejemplo, en materiales superconductores de alta temperatura.

De momento, los investigadores consideran que su descubrimiento ya se puede aplicar para reducir el consumo de energía de un transistor. También destacan que mejora considerablemente nuestra comprensión del mundo subatómico y que permite imaginar nuevos desarrollos en ingeniería con materiales cuánticos.

Visto lo visto, lo que decía Feynman hace casi 60 años no solo mantiene toda su vigencia, sino que incluso se ha agravado: cada vez entendemos menos a la mecánica cuántica.

Referencia

Observing separate spin and charge Fermi seas in a strongly correlated one-dimensional conductor

. Pedro M. T. Vianez et al. Science Advances, 17 Jun 2022; Vol 8, Issue 24. DOI:10.1126/sciadv.abm2781