A Curious Observer's Handbook of Quantum Mechanics, pt. 5: Pegando uma onda

Aurick Lawson / Getty Images

Uma das revoluções mais silenciosas Do nosso século atual, a mecânica quântica entrou em nossa tecnologia cotidiana. Os efeitos quânticos costumavam ser confinados aos laboratórios de física e experimentos microscópicos. Mas a tecnologia moderna depende cada vez mais da mecânica quântica para seus processos fundamentais, e os efeitos quânticos só aumentarão de importância nas próximas décadas. Como tal, o físico Miguel F. Morales assumiu a árdua tarefa de explicar a mecânica quântica para pessoas comuns nesta série de sete partes (não prometemos matemática). Abaixo está a quinta história da série, mas você sempre pode encontrá-la História inicial mais do que Página de destino de toda a série até agora Ativo.

Cantado nas linhas do mosteiro emMaria” a partir de som da música:

“Como você pega uma onda como Maria? Como você segura uma nuvem e a mantém no lugar? Oh, como você resolve uma partícula como Maria? Como você segura o raio de lua em sua mão?”

Em nossas jornadas exploratórias na selva quântica até agora, vimos partículas terrestres e livres. Mas a maioria das partículas passa a vida em condições mais restritas: elétrons presos nos braços dos núcleos, átomos ligados às moléculas ou linhas ordenadas de cristais. O confinamento não é necessariamente ruim – apenas cordas bem amarradas em um instrumento musical podem fazer música.

Em nossa caminhada hoje nas florestas da mecânica quântica, carregaremos algumas armadilhas para que possamos ver como as partículas se comportam quando ficam presas. (Como as espécies são delicadas, vamos tratá-las com gentileza e dispará-las quando terminar.) Neste processo, vamos explorar a origem dos espectros de emissão de estrelas e encontrar átomos artificiais e pontos quânticos, que desempenham papéis pioneiros em tudo, desde computação quântica até televisão de consumo.

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Como vimos muitas vezes, todas as partículas se movem como ondas. Mas o que acontece quando prendemos uma onda? Como o comportamento de uma partícula muda quando a bloqueamos?

Um ótimo exemplo diário de uma onda presa é o acorde de guitarra. Antes de ser presa ao violão, a corda pode vibrar de qualquer maneira. Ondas rápidas, ondas lentas – todo tipo de onda é possível. Mas quando enganchamos e dedilhamos a corda de uma guitarra, a onda resultante fica presa nas pontas de conexão da guitarra. A onda pode saltar entre as pontas, mas não pode escapar.

Mais Zoom / Ondas presas de um acorde de guitarra. No sentido horário a partir do canto superior esquerdo está o harmônico primário, o segundo harmônico e o terceiro harmônico de cadeia aberta. Apenas ondas que se encaixam precisamente na armadilha são permitidas, e o aumento da frequência está associado a uma energia mais alta (tom mais alto). Também podemos encurtar a armadilha usando um dos trastes da guitarra, que altera a frequência fundamental (canto inferior esquerdo) e todos os harmônicos.

Foto de Miguel Morales

Conforme mostrado no gráfico acima, algumas combinações de ondas (harmônicas) são permitidas, mas apenas ondas com o comprimento correto são possíveis. Quando a onda nos rodeou, passamos de qualquer observação possível a um estado em que apenas aquelas ondas que cabiam na armadilha – e as observações que correspondiam a ela – poderiam existir. Em outras palavras, os tons de acordes de guitarra são causa Armadilha. E quando colocamos o dedo nos trastes para mudar o tamanho da armadilha, o tamanho das ondas que se encaixam nela muda e as notas que ouvimos mudam.

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Podemos ver a mesma coisa acontecendo com os elétrons. Em 1993, Don Eagler e seus colegas criaram uma armadilha eletrônica colocando 48 átomos de ferro em um anel sobre uma placa de cobre. O anel feito de átomos de ferro cria um abrigo quântico – uma armadilha eletrônica circular. Ao obter imagens com um microscópio de tunelamento de varredura, a onda de elétrons presa pode ser vista claramente dentro do anel de átomos de ferro.

Mais Zoom / Um curral circular feito de 48 átomos de ferro (picos agudos) em uma placa de cobre. A onda de um elétron preso dentro da dobra pode ser vista claramente.

Como as partículas se movem como ondas, elas respondem exatamente como qualquer outro tipo de onda quando detectadas – elas cantam uma nota musical específica. O elétron na câmara quântica é semelhante às vibrações da cabeça do tambor. Isso não é por acaso: o cilindro também cria uma armadilha circular para ondas semelhante à câmara quântica. A observação de que as partículas quânticas capturam certas observações quando estão presas é o resultado do movimento como ondas. Então, ao capturar ondas de partículas, podemos fazer música.