¿Existen aplicaciones prácticas del experimento de la doble rendija?

A muchos os sonará el experimento de la doble rendija. Este experimento consiste en lanzar fotones, electrones o cualquier otro tipo de partícula de uno en uno hacia una pantalla. El detalle de que sean de uno en uno es muy importante.  Entre la pantalla y el cañón de partículas hay una lámina con 2 rendijas. Intuitivamente pensamos que las partículas pasarán por una de las 2 rendijas y el patrón que observaremos en la pantalla será algo así

psot-doble-rendija
Lo que el sentido común te dice dice que vas a observar

Efectivamente 2 lineas verticales, debido a cada una de las rendijas. Pero la mecánica cuántica es rara y lo que se observa no es eso si no ésto.

psot-doble-rendija_cuantica
Lo que observas en realidad

Se observan muchas lineas. En concreto un patrón de interferencia. El mismo que si por la rendija hubiese pasado una onda en vez de una partícula. ¿Pero como es posible que se observe es patrón si estamos lanzando partículas de una en una? ¿Cómo es posible que el resultado sea el mismo que para una onda que pasa por ambos orificios?

Dualidad onda-partícula

Este experimento demostró que las partículas cuánticas se comportan como ondas y partículas a la mismo tiempo por lo que la interpretación del experimento es que la partícula cuántica pasa por las 2 rendijas a la vez e interfiere consigo misma, creando el patrón de interferencia. Y si hubiese 30 rendijas pasaría por las 30 a la vez. Más asombroso es que cuando colocamos detectores al lado de cada rendija para averiguar por cual ha pasado el patrón de interferencia se pierde y vuelven a aparecer las lineas verticales.  Increíble.

meme

Este ha sido uno de los experimentos más repetidos en física ya que probó de forma clara la  contraintuitiva naturaleza de los electrones, fotones e incluso pequeñas moléculas. Pero este experimento tan revelador para la comprensión del universo, ¿tiene alguna aplicación práctica?

Existe una técnica llamada Dispersión Nuclear Resonante (en inglés Nuclear Resonant Scattering) que se utiliza para obtener información del campo magnético de los materiales y la explicación de cómo y por qué funciona es análoga al experimento de la rendija.

Imaginemos una muestra de hierro.Una lámina por ejemplo. Ahora vamos a lanzar tan sólo 1 fotón con una energía de 14.4 KeV, la energía necesaria para excitar una resonancia en nuestra muestra. Como sólo tenemos un fotón sólo podremos excitar un núcleo de hierro… o no? Pues no, porque de todos los núcleos que hay no sabes cuál se excita por lo que todos los núcleos de la muestra se acaban excitando. Extraño, ¿ verdad?. Así es la mecánica cuántica. Al igual que en el experimento con las rendijas el no saber por qué rendija pasaba nuestra partícula hacía posible que pasase por ambas a la vez, lo mismo pasa en este experimento, el hecho de no saber qué núcleo se excita hace posible la excitación de todos los núcleos a la vez.

Tras 141 ns esta excitación desaparece y los núcleos de la muestra de hiero emiten rayos-X. Estos rayos X interfieren entre sí creado un patrón de interferencia, pero no en el espacio, no en una pantalla como pasaba con al doble rendija, sino un patrón de interferencua en el tiempo. Si ponemos un detector y registramos cuántos rayos-X llegan en función del tiempo obtendremos algo como esto

beats
Patrón de difracción temporal o como se conoce en el campo ”Quantum beats”

Estos patrones no son únicos y dependen de la disposición de los átomos en nuestra muestra, de la temperatura a la que se encuentre, etc. La información que podemos sacar de ese patrón es enorme, desde cúanto vale el campo magnético que generan los electrones en el átomo hasta la estructura de los espines, pasando por las fases, magnéticas del material, incluso en la nanoescala!!!!

Referencias

The Rudolf Mössbauer Story: His Scientific Work and Its Impact on Science and History; Michael Kalvius, Paul Kienle; 978-3-642-43889-9

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