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(noticias nanowerk) Una de las interacciones más fundamentales en física es la que existe entre los electrones y la luz. En un experimento realizado en la Universidad Goethe de Frankfurt, los científicos lograron por primera vez observar el llamado efecto Kapitza-Dirac con total resolución temporal. Este efecto se postuló por primera vez hace más de 90 años, pero sólo ahora están saliendo a la luz sus detalles más finos.
Fue una de las mayores sorpresas en la historia de la ciencia: en los inicios de la física cuántica, hace unos 100 años, los científicos descubrieron que las partículas que componen nuestra materia siempre se comportan como ondas. Así como la luz puede dispersarse en una doble rendija y producir patrones de dispersión, los electrones también pueden exhibir efectos de interferencia. Los dos teóricos Piotr Kapitza y Paul Dirac demostraron en 1933 que un haz de electrones es incluso difractado por una onda luminosa estacionaria debido a las propiedades de las partículas y que debido a las propiedades de las ondas se pueden esperar efectos de interferencia.
Un equipo germano-chino dirigido por el profesor Reinhard Dörner de la Universidad Goethe de Frankfurt logró incluso utilizar este efecto Kapitza-Dirac para hacer visible el desarrollo temporal de las ondas electrónicas, la llamada fase mecánica cuántica de los electrones.
Los investigadores han presentado ahora sus resultados en la revista especializada. Ciencia (“Efecto Kapitza-Dirac ultrarrápido”).
“Alexander Hartung, antiguo estudiante de doctorado de nuestro instituto, diseñó originalmente el aparato experimental”, afirma Dörner. «Después de su partida, Kang Lin, un becario de Alexander von Humboldt que trabajó en el equipo de Frankfurt durante cuatro años, pudo utilizarlo para medir el efecto Kapitza-Dirac dependiente del tiempo».
Para ello también fue necesario desarrollar más la descripción teórica, ya que Kapitza y Dirac no tuvieron en cuenta específicamente en este momento el desarrollo temporal de la fase electrónica.
En su experimento, los científicos de Frankfurt primero dispararon dos pulsos láser ultracortos desde direcciones opuestas sobre un gas xenón. En el punto de cruce, estos pulsos de femtosegundos (un femtosegundo es una cuatrillonésima (una millonésima de billonésima) de segundo) crearon un campo de luz ultraintenso durante una fracción de segundo. Como resultado, se quitaron electrones de los átomos de xenón, es decir, se ionizaron.
Poco después, los físicos dispararon un segundo par de pulsos láser cortos a los electrones liberados, que también formaron una onda estacionaria en el centro. Estos pulsos fueron ligeramente más débiles y no provocaron más ionización. Sin embargo, ahora pudieron interactuar con los electrones libres, lo que se pudo observar utilizando un microscopio de reacción COLTRIMS desarrollado en Frankfurt.
«En el momento de la interacción pueden ocurrir tres cosas», afirma Dörner. «O el electrón no interactúa con la luz o se dispersa hacia la izquierda o hacia la derecha».
Según las leyes de la física cuántica, estas tres posibilidades juntas dan como resultado una cierta probabilidad, que se refleja en la función de onda de los electrones: el espacio en forma de nube en el que probablemente se encuentre el electrón se colapsa, por así decirlo, en discos tridimensionales. El desarrollo temporal de la función de onda y su fase depende de cuánto tiempo pasa entre la ionización y el momento del impacto del segundo par de pulsos láser.
“Esto abre muchas aplicaciones interesantes en la física cuántica. Con suerte, nos ayudará a rastrear cómo los electrones se transforman de partículas cuánticas a partículas normales en un período de tiempo muy corto. «Ya estamos planeando utilizarlo para descubrir más sobre el entrelazamiento de diferentes partículas, que Einstein describió como 'espeluznante'», afirma Dörner. Como suele ocurrir en la ciencia, vale la pena poner a prueba continuamente teorías establecidas desde hace mucho tiempo.
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