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

En un extraordinario fenómeno de la física cuántica conocido como túnel, las partículas parecen moverse más rápido que la luz. Sin embargo, los físicos de Darmstadt creen que hasta ahora no se ha medido correctamente el tiempo que tardan las partículas en crear un túnel. Proponen un nuevo método para detener 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 una colina, sino que girará antes de llegar a la cima e invertirá su dirección. En física cuántica, este principio no es tan rígido: una partícula puede atravesar una barrera, incluso si no tiene suficiente energía para superarla. Actúa como si se deslizara por un túnel, por lo que el fenómeno también se conoce como “túnel cuántico”. Lo que parece magia tiene aplicaciones técnicas tangibles, por ejemplo en unidades de memoria flash.

Túneles cuánticos y relatividad

En el pasado, los experimentos en los que las partículas se movían más rápido que la luz llamaron cierta atención. Después de todo, la teoría de la relatividad de Einstein prohíbe velocidades superiores a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la pregunta es si en estos experimentos se “detuvo” correctamente el tiempo necesario para la construcción del túnel. Los físicos Patrik Schach y Enno Giese de TU Darmstadt siguen un nuevo enfoque para definir el «tiempo» de una partícula que forma un túnel. Ahora han propuesto un nuevo método para medir este tiempo. En su experimento, lo miden de la manera que creen que se adapta mejor a la naturaleza cuántica de los túneles. Publicaron el diseño de su experimento en la reconocida revista. Avances en la ciencia.

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 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, comparable a una ola de agua. La altura de la ola indica la probabilidad con la que la partícula se materializaría en ese punto si se midiera su posición. Si el paquete de ondas encuentra una barrera de energía, 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 de los túneles

Experimentos anteriores habían observado que una partícula de luz viajaba una distancia mayor después de hacer un túnel que una que tenía un camino libre. Por tanto, viajaría más rápido que la luz. Sin embargo, los investigadores tuvieron que definir la posición de la partícula tras su paso. Eligieron el punto más alto de su paquete de olas.

“Pero la partícula no sigue una trayectoria en el sentido clásico”, objeta Enno Giese. Es imposible decir exactamente dónde se encuentra la partícula en un momento dado. Esto dificulta hacer afirmaciones sobre el tiempo que lleva llegar de A a B.

Un nuevo enfoque para medir el tiempo de construcción de túneles

Schach y Giese, sin embargo, se guían por una cita de Albert Einstein: “El tiempo es lo que se lee en el reloj”. Sugieren utilizar la propia partícula 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 fluye más lento, más rápido o igualmente 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. En concreto, Schach y Giese proponen utilizar átomos como relojes. Los niveles de energía de los átomos oscilan a determinadas frecuencias. Después de lidiar con un átomo con un pulso láser, sus niveles inicialmente oscilan de forma sincronizada: se pone en marcha el reloj atómico. Sin embargo, durante la construcción de túneles el ritmo cambia ligeramente. Un segundo pulso láser provoca que las dos ondas internas del átomo interfieran. La detección de interferencias permite medir la distancia entre las dos ondas de niveles de energía, lo que a su vez es una medición precisa del tiempo transcurrido.

Un segundo átomo, que no hace túneles, sirve como referencia para medir la diferencia de tiempo entre hacer túneles y no hacer túneles. Los cálculos de los dos físicos sugieren que la partícula túnel exhibirá un ligero retraso en el tiempo. «El reloj del túnel es un poco más antiguo que el anterior», afirma Patrik Schach. Esto parece contradecir los experimentos que atribuyeron la velocidad superluminal a la formación de túneles.

El desafío de implementar el experimento.

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

«Actualmente estamos discutiendo esta idea con colegas experimentales 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, Avances en la ciencia.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6078