En el icónico experimento cuántico de doble rendija, un fotón actúa como una onda e interfiere consigo mismo, lo que ilustra el asombroso concepto de que las partículas pueden existir en una «superposición» de posibles ubicaciones a la vez.
Pero, ¿cuán grande puede ser un objeto cuántico así? Resulta que , al menos, tan grande como una masa de unos 7000 átomos de sodio . Utilizando un montaje experimental minuciosamente construido, los investigadores lograron observar patrones de interferencia reveladores para cúmulos de sodio de unos 8 nanómetros de ancho, con superposiciones que se extendían a lo largo de 133 nanómetros. Los cúmulos son tan grandes como algunos virus, lo que plantea la tentadora posibilidad de someter materia biológica a la misma configuración experimental.
La mecánica cuántica predice que las partículas individuales que tienen masa pueden comportarse como ondas que no tienen una ubicación definida en el espacio. En cambio, estas ondas de materia se extienden a través de una superposición de múltiples ubicaciones en un momento dado, de forma similar a como las ondas generadas al lanzar una roca a un lago se extienden por la superficie del agua. Una consecuencia sorprendente de esta «dualidad onda-partícula» es que las partículas masivas pueden formar patrones de interferencia, similares a los que se observan cuando las ondas de agua o de luz se superponen. Esta interferencia de ondas de materia se ha observado a menudo en partículas microscópicas, como electrones, neutrones y átomos, pero si puede ocurrir en objetos macroscópicos sigue siendo un tema de debate activo.
En un artículo publicado en Nature, Pedalino et al. informan de la demostración experimental de la interferencia de ondas de materia con los objetos más pesados hasta la fecha: nanopartículas de sodio con masas superiores a 170.000 daltons (Da). Estos resultados plantean cuestiones fundamentales sobre el rango de masas para las que se produce la dualidad onda-partícula.
La idea de que los objetos macroscópicos podrían exhibir la dualidad onda-partícula contrasta con la intuición de la gente de la vida cotidiana: estamos acostumbrados a que los objetos grandes tengan posiciones bien definidas. Sin embargo, la teoría cuántica estándar no impone un límite de tamaño a los objetos que describe. Por lo tanto, no existe ninguna regla fundamental que impida que un gato se encuentre en una superposición de un lugar y de otro, o que esté simultáneamente vivo y muerto, como se considera en el famoso experimento mental de Erwin Schrödinger.
Schrödinger concibió su experimento mental para demostrar que sería absurdo aplicar la superposición cuántica a objetos macroscópicos. Para evitar este comportamiento contraintuitivo, algunos físicos han propuesto modificaciones a las leyes de la mecánica cuántica. Estos «modelos de colapso» afectan mínimamente el comportamiento de los objetos más pequeños, pero destruyen rápidamente las superposiciones espaciales de objetos más masivos, estableciendo así una línea divisoria firme entre lo que sucede en los mundos microscópico y macroscópico.
Otros físicos sugieren que la mecánica cuántica no necesita ser modificada, porque las interacciones no controladas de un objeto con su entorno impiden que aparezca la interferencia de la onda de materia. Siguiendo esta línea de pensamiento, la dualidad onda-partícula podría, en principio, aplicarse a objetos arbitrariamente masivos, pero las interacciones ambientales harían que fuera poco práctico observarla a medida que la masa del objeto aumenta.
Los experimentos para distinguir entre la validez de los modelos de colapso y la mecánica cuántica estándar están limitados por la medida en que se pueden reducir las interacciones de los objetos con su entorno. Sin embargo, las innovaciones aumentan constantemente la masa a la que se puede observar la interferencia de ondas de materia. Por ejemplo, un experimento de 2019 informó sobre la dualidad onda-partícula de moléculas grandes que contenían hasta 2000 átomos, con masas superiores a 25 000 Da. Pedalino et al. han establecido ahora la interferencia de ondas de materia para un nuevo tipo de objeto, aún más masivo: las nanopartículas metálicas.
Los autores hicieron pasar nanopartículas de sodio ultracongeladas a través de una serie de ondas estacionarias formadas por haces de láser. Las ondas estacionarias actúan como rejillas que generan y detectan la interferencia de las ondas de materia de las nanopartículas (Fig. 1), de forma similar a como la luz que pasa a través de una rejilla física genera un patrón de difracción. Para proteger las nanopartículas de las perturbaciones ambientales, los autores implementaron un extenso sistema para evitar que las vibraciones del entorno afectaran al experimento. También ajustaron la orientación del aparato para suprimir las influencias de la gravedad y la rotación de la Tierra.
Las nanopartículas de sodio utilizadas en los experimentos constaban de más de 7000 átomos y tenían masas de 170 000 Da. Por lo tanto, el estudio confirma que la mecánica cuántica estándar sigue siendo válida hasta una escala impresionantemente grande, para objetos que son mucho más complejos y más cercanos a ser macroscópicos que los átomos individuales.
Como señalan Pedalino et al., los experimentos que involucran osciladores mecánicos también se han utilizado para sondear la mecánica cuántica en escalas mucho mayores que las típicamente asociadas con los efectos cuánticos; por ejemplo, se ha informado de una superposición que involucra objetos con una masa de 1019 Da. Sin embargo, esa superposición se extendía sobre una distancia de solo 2 × 10–18 metros, que es mucho menor que el tamaño de un protón o un neutrón. Por el contrario, las superposiciones de Pedalino y sus colegas se extendían a lo largo de 133 nanómetros, mucho más que el diámetro de 8 nm de las nanopartículas.
¿Cómo se decide cuál de estas superposiciones, que se producen a escalas de masa y longitud tan diferentes, es más representativa de los sistemas macroscópicos? Un enfoque consiste en utilizar una métrica de «macroscopicidad». Esto cuantifica la fuerza con la que un experimento puede descartar una clase de modelos de colapso que introducen cambios mínimos en la mecánica cuántica ordinaria. Según esta métrica, el experimento de Pedalino y sus colegas es el sistema cuántico más macroscópico del que se tiene constancia hasta la fecha, superando el récord anterior en más de diez veces.
Debido a que el método de los autores es aplicable a objetos más grandes que las nanopartículas, es prometedor para generar superposiciones aún más macroscópicas que las reportadas actualmente. Un desafío será distinguir la interferencia genuina de la onda de materia de los «patrones de sombra» formados por las rejillas; a medida que la masa del objeto aumenta, las ondas de materia necesitarán más tiempo para evolucionar libremente entre las rejillas. Para aumentar el tiempo de evolución, se podría reducir la velocidad de los objetos o alargar la distancia entre las rejillas. Esto podría permitir el estudio de la dualidad onda-partícula en el rango de masa de 106 Da. El tiempo de evolución podría extenderse aún más cambiando el aparato de una orientación horizontal a una vertical, de modo que los objetos caigan grandes distancias bajo la gravedad dentro del aparato. Esta estrategia tiene el potencial de facilitar la interferencia de ondas de materia de objetos con masas de hasta 108 Da.
Otros esquemas podrían permitir experimentos con masas aún mayores. Por ejemplo, una propuesta que utiliza campos magnéticos para hacer levitar y manipular objetos para generar interferencias de ondas de materia podría ser aplicable a masas de objetos que superen los 1013 Da. Si se logra un aislamiento suficiente de las perturbaciones ambientales, estos experimentos arrojarán luz sobre el antiguo debate acerca de si la gravedad tiene un papel fundamental en la limitación del tamaño máximo de las superposiciones cuánticas. Existen diversas opiniones a favor y en contra de este debate, y su resolución requiere, en última instancia, pruebas experimentales.
Tim Kovachy