A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt. 5: Prendere un’onda

A Curious Observer’s Handbook of Quantum Mechanics, pt.  5: Prendere un’onda
A Curious Observer's Handbook of Quantum Mechanics, pt.  5: Prendere un'onda

Aurick Lawson / Getty Images

Una delle rivoluzioni più silenziose Dal nostro secolo attuale, la meccanica quantistica è entrata nella nostra tecnologia quotidiana. Gli effetti quantistici erano limitati ai laboratori di fisica e agli esperimenti microscopici. Ma la tecnologia moderna fa sempre più affidamento sulla meccanica quantistica per i suoi processi fondamentali e gli effetti quantistici aumenteranno solo di importanza nei prossimi decenni. In quanto tale, il fisico Miguel F. Morales ha assunto l’arduo compito di spiegare la meccanica quantistica alla gente comune in questa serie in sette parti (Non ti promettiamo matematica). Di seguito è la quinta storia della serie, ma puoi sempre trovarla Inizio della storia più di Pagina di destinazione per l’intera serie finora Attivo.

Cantato alle linee del monastero inMaria” a partire dal suono della musica:

“Come si cattura un’onda come Maria? Come si tiene una nuvola e la tiene ferma? Oh, come si risolve una particella come Maria? Come si tiene in mano il raggio di luna?”

Finora, durante i nostri viaggi esplorativi nel deserto quantistico, abbiamo visto sia la terra che le particelle libere. Ma la maggior parte delle particelle trascorre la vita in condizioni più ristrette: elettroni intrappolati nelle braccia dei nuclei, atomi legati in molecole o linee ordinate di cristalli. Il confinamento non è necessariamente un male: solo le corde legate strettamente a uno strumento musicale possono fare musica.

Durante la nostra escursione oggi nelle foreste della meccanica quantistica, porteremo alcune trappole in modo da poter vedere come si comportano le particelle quando vengono intrappolate. (Dato che le specie sono delicate, le tratteremo gentilmente e le licenzieremo quando avremo finito.) In questo processo, esploreremo l’origine degli spettri di emissione dalle stelle e incontreremo atomi artificiali e punti quantici, che svolgono un ruolo pionieristico in tutto, dall’informatica quantistica alla televisione di consumo.

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Perché l’uccello canta in una gabbia

Come abbiamo visto molte volte, tutte le particelle si muovono come onde. Ma cosa succede quando intrappoliamo un’onda? Come cambia il comportamento di una particella quando la blocciamo?

Un ottimo esempio quotidiano di un’onda intrappolata è l’accordo di chitarra. Prima di essere attaccata alla chitarra, la corda può vibrare in qualsiasi modo. Onde veloci, onde lente: ogni tipo di onda è possibile. Ma quando agganciamo e pizzichiamo la corda a una chitarra, l’onda risultante viene intrappolata dalle estremità di collegamento della chitarra. L’onda può rimbalzare tra le estremità, ma non può sfuggire.

Onde intrappolate di un accordo di chitarra.  In senso orario dall'alto a sinistra è l'armonica primaria, la seconda armonica e la terza armonica a catena aperta.  Sono consentite solo le onde che si adattano precisamente alla trappola e la maggiore frequenza è associata a un'energia più elevata (tono più alto).  Possiamo anche accorciare la trappola usando uno dei tasti della chitarra, che cambia la frequenza fondamentale (in basso a sinistra) e tutti gli armonici.
Ingrandire / Onde intrappolate di un accordo di chitarra. In senso orario dall’alto a sinistra è l’armonica primaria, la seconda armonica e la terza armonica a catena aperta. Sono consentite solo le onde che si adattano precisamente alla trappola e la maggiore frequenza è associata a un’energia più elevata (tono più alto). Possiamo anche accorciare la trappola usando uno dei tasti della chitarra, che cambia la frequenza fondamentale (in basso a sinistra) e tutti gli armonici.

Foto di Miguel Morales

Come mostrato nel grafico sopra, alcune combinazioni di onde (armoniche) sono consentite, ma sono possibili solo onde della lunghezza corretta. Quando l’onda ci ha circondato, siamo passati da ogni possibile osservazione a uno stato in cui potevano esistere solo quelle onde che si adattano alla trappola e le osservazioni che corrispondevano ad essa. In altre parole, i toni degli accordi di chitarra sono causa Trappola. E quando mettiamo un dito sui tasti per cambiare la dimensione della trappola, la dimensione delle onde che si adattano cambia e le note che sentiamo cambiano.

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Possiamo vedere la stessa cosa accadere con gli elettroni. Nel 1993, Don Eagler ei suoi colleghi hanno creato una trappola elettronica posizionando 48 atomi di ferro in un anello su una piastra di rame. L’anello fatto di atomi di ferro crea un rifugio quantistico: una trappola elettronica circolare. Durante l’imaging con un microscopio a scansione a tunnel, l’onda elettronica intrappolata può essere vista chiaramente all’interno dell’anello di atomi di ferro.

Un recinto circolare composto da 48 atomi di ferro (picchi acuti) su una lastra di rame.  È possibile vedere chiaramente l'onda di un elettrone intrappolato all'interno della piega.
Ingrandire / Un recinto circolare composto da 48 atomi di ferro (picchi acuti) su una lastra di rame. È possibile vedere chiaramente l’onda di un elettrone intrappolato all’interno della piega.

Poiché le particelle si muovono come onde, rispondono esattamente come qualsiasi altro tipo di onda quando vengono rilevate: cantano una nota musicale specifica. L’elettrone nella camera quantistica è simile alle vibrazioni della pelle del tamburo. Non è un caso: il cilindro crea anche una trappola circolare per onde simile alla camera quantistica. L’osservazione che le particelle quantistiche catturano determinate osservazioni quando sono intrappolate è il risultato del movimento come onde. Quindi catturando le onde delle particelle, possiamo fare musica.

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