Átomos de Rydberg pueden albergar los puntos de Lagrange

Cuando Bohr propuso su modelo atómico, era consciente de que los saltos cuánticos entre las órbitas de los electrones en el átomo eran un desafío para las imágenes espaciales y temporales de la vida en nuestra escala. Los trabajos de Heisenberg, rechazando la noción de trayectoria de los electrones de un átomo, sólo sirvió para fortalecer la perplejidad de algunos investigadores. Después de todo, se podía observar bien la trayectoria de los electrones en un tubo de Crookes o en una cámara de Wilson.

Heisenberg y Bohr habían respondido que en los límites de los grandes números cuánticos, tales como los que caracterizan a los principales niveles de energía de un atómo, encontraríamos por tanto que para el cálculo de un comportamiento de objetos clásicos aún más claro que el que se aborda desde un tamaño macroscópico. También se puede demostrar mediante el cálculo que existe una correspondencia entre las ecuaciones del mundo cuántico y la del mundo clásico.

Pero fundamentalmente, hay que renunciar a describir la realidad con imágenes en el tiempo y el espacio, que finalmente no son otra cosa que aproximaciones convenientes pero que pierden su significado en algunas situaciones experimentales definidas por la famosa desigualdad de Heisenberg.

Tal explicación no satisfizo a Erwin Schrödinger para quien los electrones debían ser los paquetes de ondas estables muy bien localizados en el espacio y el tiempo. Los misteriosos saltos cuánticos debe ser simplemente la transición entre los modos de resonancia de las ondas de materia atrapadas en el potencial electrostático del núcleo, como los modos de vibración del sonido en una caja de resonancia.

Lagrange Rydberg

El diagrama de la izquierda muestra a Júpiter en órbita alrededor del Sol, en uno y otro lado de su órbita aparecen concentraciones de asteroides (puntos verdes). Se trata de los famosos troyanos que ocupan los puntos de Lagrange de Júpiter. La nube de puntos blancos representa el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter. A la derecha se muestra la nube de probabilidades asociadas con el paquete de ondas (Trojan wave packet) de un electrón, concentrado en una región similar a un punto de Lagrange, pero aquí en un átomo de Rydberg del tamaño de un glóbulos rojo. Al cambiar la frecuencia del campo eléctrico aplicado, podemos aumentar el tamaño del átomo Rydberg, como se muestra en el diagrama de la derecha. © Universidad Tecnológica de Viena

La historia ha confirmado la opinión de Bohr y Heisenberg, pero es posible considerar a los electrones en parte como paquetes de onda. Sin embargo, se trata de ondas descritas en la base porque las denominamos amplitudes de probabilidad puramente cuánticas. Sin embargo, podemos encontrar a través de estas ondas, muchas analogías entre el comportamiento de los electrones en determinadas situaciones y el comportamiento de las partículas y las ondas clásicas.

Un laboratorio para explorar los límites de la física cuántica y el mundo clásico

En 1994, un grupo de físicos predijeron que estas analogías pueden ser conducidos hacia un átomo Rydberg, es decir, un átomo con un electrón tan excitado que se encuentra en un nivel de energía gran número cuántico (como si se tratara de una órbita a una gran distancia del núcleo del átomo). Según ellos, es posible manejar este tipo de un átomo con un campo electromagnético para que los electrones se comporten como los asteroides troyanos en el sistema solar.

La experiencia ha tardado en desarrollarse unos cuentos años, demostrando que bien podría realizarse en un átomo análogo a los puntos de Lagrange de Júpiter ocupados por los troyanos.

En este caso, el experimento llevado a cabo en la Universidad Rice en Houston (EE.UU.) consiste en manipular átomos de Rydberg, cuyo tamaño es de unas centésimas de milímetro. En principio, un campo eléctrico aplicado oscila con la frecuencia correspondiente al período de la revolución de la órbita electrónica cuántica. Esto provoca la captura del paquete de ondas de electrón en un área similar a un punto de Lagrange. El paquete de ondas continúa, sin embargo, moviéndose como lo hacen los troyanos de Júpiter alrededor del sol. A continuación, podemos aumentar el tamaño de los átomos de Rydberg, siempre con un campo electromagnético adecuado.

Los físicos están tratando de lograr un experimento similar con varios electrones. La analogía con un sistema planetario es lo que les mueve a ir un poco más allá y los investigadores esperan aprender más sobre la transición de un mundo cuántico a un clásico mundial. Sería interesante saber si, por ejemplo, están emergiendo del caos cuántico. Un artículo sobre sus trabajos fue publicado en Physical Review Letters.

Johannes Rydberg

Johannes Rydberg (1854-1919) era originalmente un matemático sueco convertido en físico matemático. En 1890 descubrió la famosa fórmula que lleva su nombre, una apartación muy valiosa para Niels Bohr por su descubrimiento del modelo atómico. © AIP Emilio Segre Visual Archives © W. F. Meggers Collection

Más información

Creating and Transporting Trojan Wave Packets