A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 5: Prinderea unui val

Cântat la rândurile mănăstirii înMaria„din sunetul muzicii:

„Cum prindeți un val ca Maria? Cum țineți un nor și îl țineți în loc? Oh, cum rezolvați o particulă ca Maria? Cum țineți raza de lună în mână?”

Până în prezent, în călătoriile noastre exploratorii în sălbătura cuantică, am văzut atât pământ, cât și particule libere. Dar majoritatea particulelor își petrec viața în condiții mai restrânse: electroni prinși în brațele nucleelor, atomi legați în molecule sau liniile ordonate de cristale. Închiderea nu este neapărat rea – doar corzile legate strâns de un instrument muzical pot face muzică.

În drumeția noastră de astăzi în pădurile mecanicii cuantice, vom purta câteva capcane, astfel încât să putem vedea cum se comportă particulele atunci când sunt prinse. (Deoarece speciile sunt delicate, le vom trata cu amabilitate și le vom concedia atunci când vom termina.) În acest proces, vom explora originea spectrelor de emisie de la stele și vom întâlni atomi artificiali și puncte cuantice, care joacă roluri de pionierat în totul, de la calculul cuantic la televiziunea de consum.

De ce cântă pasărea în cușcă

După cum am văzut de multe ori, toate particulele se mișcă ca undele. Dar ce se întâmplă când prindem un val? Cum se schimbă comportamentul unei particule atunci când o blocăm?

Un exemplu extraordinar de zi cu zi de undă prinsă este acordul de chitară. Înainte de a fi atașat la chitară, coarda poate vibra în orice mod. Valuri rapide, valuri lente – orice tip de val este posibil. Dar când prindem și smulgem coarda de o chitară, unda rezultată este prinsă de capetele de conectare ale chitarei. Valul poate sări între capete, dar nu poate scăpa.

Așa cum se arată în graficul de mai sus, sunt permise unele combinații de unde (armonice), dar sunt posibile doar unde cu lungimea corectă. Când valul ne-a înconjurat, am trecut de la orice observație posibilă la o stare în care puteau exista doar acele valuri care se potriveau în capcană – și observațiile care îi corespundeau. Cu alte cuvinte, tonurile acordurilor de chitară sunt cauzează Capcană. Și când punem un deget pe freturi pentru a schimba dimensiunea capcanei, dimensiunea undelor care se potrivesc acesteia se schimbă, iar notele pe care le auzim se schimbă.

Putem vedea același lucru care se întâmplă și cu electronii. În 1993, Don Eagler și colegii săi au creat o capcană electronică prin plasarea a 48 de atomi de fier într-un inel peste o placă de cupru. Inelul din atomi de fier creează un adăpost cuantic – o capcană electronică circulară. Când se realizează imagini cu un microscop de scanare cu tunel, unda electronică prinsă poate fi văzută clar în interiorul inelului de atomi de fier.

Deoarece particulele se mișcă ca undele, ele răspund la fel ca orice alt tip de undă atunci când sunt detectate – cântă o notă muzicală specifică. Electronul din camera cuantică este similar cu vibrațiile capului de tambur. Acest lucru nu este întâmplător: cilindrul creează, de asemenea, o capcană circulară pentru valuri similare cu camera cuantică. Observația că particulele cuantice captează anumite observații atunci când sunt prinse este un rezultat al mișcării ca undele. Deci, prin captarea undelor de particule, putem face muzică.