Investigadores capturan el movimiento de un solo electrón en vídeo

Usando pulsos de sonido de alta intensidad, dos físicos de la Universidad Brown han tenido éxito en captar una película que muestra el movimiento de un solo electrón. Humphrey Maris, profesor de física en la Universidad Brown, y Wei Guo, estudiante de doctorado en Brown, pudieron filmar el electrón pues se movía a través de un recipiente con helio superfluído.

PROVIDENCE, R.I. [Brown University] «“ Observar el movimiento de un electrón -una partícula elemental con una masa que es la mil millonésima de mil millonésima de mil millonésima de un gramo- se ha considerado imposible. Así que cuando dos físicos de la Universidad Brown mostraron películas de electrones que se movían a través de helio líquido en el International Symposium on Quantum Fluids and Solids del 2006, levantaron algunas cejas.

Las imágenes, que fueron publicadas en línea el 31 de mayo de 2007, en el Journal of Low Temperature Physics, mostraban puntos de luz que bajaban por la pantalla -algunos en líneas rectas, algunos que seguía una trayectoria ondulante. No es The Matrix. No obstante, el hecho de que pueden ser vistos es asombroso.

«Nos asombramos cuando vimos un electrón moverse a través de la pantalla», dijo Humphrey Maris, profesor de física en la Universidad Brown. «Una vez que tuvimos la idea, llevarla a cabo fue asombrosamente fácil».

Maris y Wei Guo, estudiante de doctorado, usaron las burbujas que se forman alrededor de los electrones en helio líquido subenfriado. Usando ondas acústicas para ampliar las burbujas y un estroboscopio coordinado para iluminarlos, Guo pudo capturar sus movimientos en una cámara de vídeo casera.

Un electrón libre rechaza los átomos que lo rodean, creando un espacio pequeño, o una burbuja, alrededor de sí mismo. En líquidos convencionales, la burbuja se contrae a nada debido a que la tensión superficial del líquido trabaja contra la fuerza repulsiva. El helio superfluído tiene una tensión superficial muy pequeña, así que la burbuja puede llegar a ser mucho más grande. Las dos fuerzas de oposición se equilibran cuando el diámetro de la burbuja es cerca de 40 angstroms -aún muy pequeñas para poder verlas.

Los investigadores utilizaron un transductor plano – básicamente, un altavoz que produce ondas acústicas planas, no enfocadas – para bombardear todo el volumen de helio líquido con el sonido. Cuando cada onda alcanza una burbuja de electrón, alternativamente aumenta y disminuye la presión circundante. Bajo presión negativa, las burbujas aumentan a cerca de ocho micrones, el tamaño de una mota pequeña de polvo, entonces se contraen de nuevo cuando los alcanza la siguiente onda de alta presión. Una luz del estroboscopio, sincronizada con el sonido, iluminó las burbujas sin recalentar el recipiente.

Usando una videocámara en «super night mode», Guo y Maris pudieron registrar aproximadamente 2,000 fotones que estiman fueron dispersados por las burbujas ampliadas, produciendo una serie de imágenes de burbujas-electrón en cada cuadro de la videocinta.

«Los resultados son muy originales y realmente espectaculares», dijo Sébastien Balibar, director de investigaciones en física de l’ Ecole Normale Supérieure en París, «imágenes de vórtices solos del tamaño atómico, con una onda acústica, es un logro asombroso».

Para estar seguros que veían burbujas de electrones y no sólo polvo atrapado, los investigadores aumentaron gradualmente la energía del transductor. No detectaron ningún punto de luz a baja potencia y luego de un aumento rápido en la apariencia de las burbujas a un voltaje particular, justo como predecían sus cálculos. Las partículas de polvo no exhibirían ningún umbral como ese.

Los investigadores habían planeado introducir corrientes de electrones en el recipiente de una fuente radiactiva, pero habían encontrado que incluso sin una fuente, se podía ver el movimiento de un número de electrones a través del recipiente. La mayoría viajaban en una línea bastante recta que los alejaba del transductor, que produce un flujo de calor a través del líquido.

Algunos pocos electrones, sin embargo, siguieron una trayectoria ondulante bastante distinta. Maris y Guo suponen que esos electrones están siguiendo las líneas de los vórtices del superfluído -un fenómeno relacionado con un tornado en el cual el líquido gira a alta velocidad alrededor de una línea. «El vórtice es como una pieza de cuerda que corre a través del líquido», dijo Maris. «El electrón burbuja es atraído a la base del vórtice y se une a el. Es como si se deslizara abajo de esta cuerda que fluye a través del líquido». Siguiendo la trayectoria que toma el electrón mientras se resbala a lo largo del vórtice, los investigadores podían observar las líneas del vórtice por primera vez. «La gente nunca pensó que sería posible visualizar las líneas del vórtice», dijo Guo, «pero entonces, casi por accidente, las vimos».

http://www.brown.edu/Administration/News_Bureau/2006-07/06-174.html