De los saltos al control cuántico · 2019. 1. 15. · Contenido 1. Niels BOHR y la primera revolución cuántica: . Modelos atómicos . Saltos cuánticos . Dualidad onda-partícula,

De los saltos al control cuántico

Luis Quiroga lquiroga@uniandes.edu.co

Grupo de Física de la Materia Condensada

http://@fimaco.uniandes.edu.co

Cátedra MUTIS

Universidad Nacional de Colombia

Bogotá, 3 de Abril 2013

mailto:lquiroga@uniandes.edu.co

Contenido

1. Niels BOHR y la primera revolución cuántica: . Modelos atómicos . Saltos cuánticos . Dualidad onda-partícula, incertidumbre y probabilidad…

2. Segunda revolución cuántica: . Premio Nobel de Física 2012 . Saltos cuánticos y Control cuántico 3. Conclusiones

Niels H. D. Bohr Copenhague 1885- Copenhague 1962

http://www.aip.org/

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&docid=YuTqQO_tLplI0M&tbnid=gWosAQBKeXzVXM:&ved=0CAUQjRw&url=http://es.chemistry.wikia.com/wiki/Archivo:288px-Bohr_atom_model_English.svg.png&ei=lFdTUfWyPITc8wTzsYGYBQ&bvm=bv.44342787,d.dmg&psig=AFQjCNFCooUnCbh_po3pn_sCY8xWXGe5Bw&ust=1364502705559537

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atomo&source=images&cd=&cad=rja&docid=Zdkt3seMnJYSHM&tbnid=LQuWvqu6SnJbfM:&ved=0CAUQjRw&url=http://globedia.com/feliz-ano-atomo-cuantico-centenario-bohr&ei=7uFVUcjfGZSK8QSf8oDgCg&bvm=bv.44442042,d.eWU&psig=AFQjCNG9Qkr2JOqCqxB3s0FQdL6tfiN3bw&ust=1364669265757044

Premio Nobel en Física 1922

Niels Bohr

Prize motivation: "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them". http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/

“Cambiar de respuesta es evolución...

cambiar de pregunta es revolución”

Jorge Wagensberg, Más árboles que ramas Tusquets Editores, Barcelona, 2012

Parte - 1

Niels Bohr Primera revolución cuántica

Determinar las leyes básicas que gobiernan el mundo atómico

www.glogster.com

Kelvin & Helmholtz : Éter como fluido ideal + átomos como vórtices en él. Modelo mecánico ≈ Cuerda & nudos

Faraday & Maxwell : Éter como substrato electromagnético

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=nnSswWer_bWpqM&tbnid=6_F6asBgf4IveM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.docstoc.com/docs/2197377/History-of-the-Atom-Timeline&ei=BmBTUf-MBIX-9QSw8oDgAg&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNF8SdXZ8sfykHqYhNxqYydPcrs9pw&ust=1364504378285356

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=f3dWcy5EnDWadM&tbnid=bUG1QWyIG4uuAM:&ved=0CAQQjB0&url=http://www.glogster.com/honorstudent1/the-development-of-the-atomic-theory/g-6l8cd1ob9dmmja04cecmca0&ei=0mBTUf3LDJCG9QTu3YHIBw&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNF8SdXZ8sfykHqYhNxqYydPcrs9pw&ust=1364504378285356

Modelo de J.J.Thomson Cambridge University, 1903-04

Joseph John Thomson Manchester1856- Cambridge 1940

Premio Nobel de Física 1906

Prize motivation: "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases". http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/

http://www.google.com.co/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=Vf_RFAPyMAG2GM&tbnid=en3M5N2I02u5eM:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson&ei=XwtWUeKaBIiC9QT5moCQDg&psig=AFQjCNFvinvZ2fYDC4YYOKXZBBbD8A9rZw&ust=1364679903239939

Credit: Encyclopædia Britannica, Inc.

Modelo de J.J.Thomson Cambridge University, 1903-04

Experimento de H.Geiger & E.Marsden

1909-10

Ernest Rutherford Nelson (New Zealand) 1871- Cambridge 1937

Premio Nobel de Química 1908

ketzal.wordpress.com

Prize motivation: "for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances". http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/

http://www.chem1.com/acad/webtext/atoms/atpt-3.html

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&docid=gklgzmxz7SNi1M&tbnid=lHp3OB3OF9ToWM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.universetoday.com/42841/bohr-atom/&ei=v1dTUbTWHZO49gTT44GgDg&bvm=bv.44342787,d.dmg&psig=AFQjCNFCooUnCbh_po3pn_sCY8xWXGe5Bw&ust=1364502705559537

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PhD, University of Copenhague, 1911 Thesis=Electronic Theory of Metals

Post-doc: Cambridge University, 1911

(J.J.Thomson)

Cambio a Manchester University, 1912 (Radioactividad, E.Rutherford)

Niels Bohr

1913…

www.theworldsgreatbooks.com

Trilogía de 1913 en Philosophical Magazine: On the constitution of atoms and molecules

Part I: Series 6, Vol. 26, p.1 (July) Part II: Series 6, Vol. 26, p.476 (September) Part III: Series 6, Vol. 26, p.857 (November)

http://www.theworldsgreatbooks.com/

Espectros atómicos y saltos cuánticos

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=Qx3sjk9HCt3rCM&tbnid=G9Er7468IHuf-M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.docstoc.com/docs/20907397/Bohrs-Model-of-the-Hydrogen-Atom&ei=euZVUa3AOZO08QTh6IDwDA&bvm=bv.44442042,d.eWU&psig=AFQjCNFKeZI1-XqbuD7DIHC9fXP67V_Wlw&ust=1364670276500329

www.mabra.it

Espectros atómicos y saltos cuánticos

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=aZegWvw2erJOSM&tbnid=7_JCFFilf4qLyM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.docstoc.com/docs/20907256/Bohrs-Model-of-the-Hydrogen-Atom-(2)&ei=QudVUY2MLIzA9QTttYHYCQ&bvm=bv.44442042,d.eWU&psig=AFQjCNFKeZI1-XqbuD7DIHC9fXP67V_Wlw&ust=1364670276500329

http://www.mabra.it/

www.cielodeguadaira.org

Espectros atómicos y saltos cuánticos

The Balmer series of hydrogen as seen by a low-resolution spectrometer. Credit: Arthur L. Schawlow, Stanford University, and Theodore W. Hansch, Max Planck Institute for Quantum Optics

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atomo&source=images&cd=&cad=rja&docid=9QRCPVjf3kwwqM&tbnid=r19OwRaqTc67-M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.cielodeguadaira.org/index.php?option=com_content&task=view&id=142&Itemid=26&ei=OuRVUcjMHIP-8ASPv4DQBg&bvm=bv.44442042,d.eWU&psig=AFQjCNGo-yf1nR8t3UBZNMcrwFTfN6zQYA&ust=1364669877207402

http://www.cielodeguadaira.org/

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atomo&source=images&cd=&cad=rja&docid=iQAG1tWQG_lAvM&tbnid=eW_5ArvN8evLSM:&ved=0CAUQjRw&url=http://m.latercera.com/mobile/blogContent/4028162b2f21067d012f8c4aaf931376.html&ei=9-RVUZP2AYPm9ATBk4D4Bw&bvm=bv.44442042,d.eWU&psig=AFQjCNGo-yf1nR8t3UBZNMcrwFTfN6zQYA&ust=1364669877207402

Espectros atómicos y saltos cuánticos

teachers.bcps.org www.mabra.it

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=5R9XniJTDeScNM&tbnid=oFRa262BYyQ1KM:&ved=0CAUQjRw&url=http://teachers.bcps.org/teachers_sec/jsmith10/ap_s&j3_ch11.html&ei=fGRTUfCCKJCC9gTYooGoAw&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNG3mEbFbQqkh9LK5fCi59sTQPwoZA&ust=1364506103100125

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http://www.mabra.it/

Einstein, Podolski & Rosen, Phys.Rev. 47, 777 (1935)

“La mecánica cuántica es una teoría incompleta: no incluye todos los elementos de realidad”

Einstein contra la complementariedad!

Bohr vs. Einstein

Enredamiento! (Entanglement)

No-localidad!

"Every word I utter is to be understood not as an affirmation but as a question."

"Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it“.

Niels Bohr

“There are things so serious that you can only joke about them“.

S.S.Schweber, Am.J.Phys. 60, 1052 (1992)

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atomo&source=images&cd=&cad=rja&docid=yJ9JpnBL00UjNM&tbnid=wx0lk8lNB5UpVM:&ved=0CAUQjRw&url=http://la-base-de-la-ciencia.blogspot.com/p/biografias.html&ei=eOVVUdXRJonc8wSC34CQBQ&bvm=bv.44442042,d.eWU&psig=AFQjCNGo-yf1nR8t3UBZNMcrwFTfN6zQYA&ust=1364669877207402

Qué dijeron otros sobre Bohr?

H.Margenau: “Bohr’s atom sat like a baroque tower upon the Gothic base of classical electrodynamics."

P.Ehrenfest: called Bohr’s model “completely monstrous."

A.Einstein: the Bohr’s atom“one of the greatest discoveries"

W.Heisenberg: “I learned optimism from Sommerfeld, mathematics in Göttingen, and physics from Bohr”.

E.Schrödinger: “If all this damned quantum jumping were really here to stay, I should be sorry I ever got involved with quantum theory”.

S.S.Schweber, Am.J.Phys. 60, 1052 (1992) L.S.Feuer, Am.J.Phys. 54, 762 (1986)

sp.depositphotos.com www.openscience.org

www.3833.com

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=tPhnJX17TH_j2M&tbnid=HrTlcpgIZh0E0M:&ved=0CAUQjRw&url=http://sp.depositphotos.com/8587983/stock-photo-Postage-stamp-Denmark-1963-Niels-Bohr-and-Atom-Diagram.html&ei=AmZTUbODA4XC9gTynYC4Dg&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNG3mEbFbQqkh9LK5fCi59sTQPwoZA&ust=1364506103100125

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=tPhnJX17TH_j2M&tbnid=HrTlcpgIZh0E0M:&ved=0CAQQjB0&url=http://sp.depositphotos.com/8587983/stock-photo-Postage-stamp-Denmark-1963-Niels-Bohr-and-Atom-Diagram.html&ei=AmZTUbODA4XC9gTynYC4Dg&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNG3mEbFbQqkh9LK5fCi59sTQPwoZA&ust=1364506103100125

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=nZgye80_FPJ3LM&tbnid=Adw0qADuHjgqoM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.openscience.org/blog/?p=57&ei=EmJTUaeyK5Do8QT1kIDwDQ&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNF8SdXZ8sfykHqYhNxqYydPcrs9pw&ust=1364504378285356

http://www.openscience.org/

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=nZgye80_FPJ3LM&tbnid=Adw0qADuHjgqoM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.3833.com/wbn_nobel_niels_bohr&ei=oWFTUYj-OYfI9gS1sIGwDA&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNF8SdXZ8sfykHqYhNxqYydPcrs9pw&ust=1364504378285356

http://www.3833.com/

Parte - 2

Segunda revolución cuántica

Otro legado de Bohr: control y tecnologías cuánticas

Control cuántico

Organizar y controlar las componentes de un sistema complejo gobernado por las leyes de la física

cuántica

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=j+wineland&source=images&cd=&cad=rja&docid=_cE0KMYNoz-t2M&tbnid=bw3S9Hm06YgsxM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.kva.se/en/pressroom/press-releases-2012/the-nobel-prize-in-physics-2012/&ei=PztaUfeULYP48wT2zoD4DA&bvm=bv.44442042,d.dmQ&psig=AFQjCNFEfYH_INXC6VaKm4KKJOzpVkCvCA&ust=1364954179122288

• Control espacial en nanómetros… NANOTECNOLOGÍA •Control temporal en femtosegundos… ESPECTROSCOPÍA ULTRA-RÁPIDA •Control a nivel de fotones individuales… ÓPTICA CUÁNTICA

Recursos experimentales…

Luz & Materia … a nivel cuántico

26

Observación y manipulación de objetos cuánticos individuales:

▬►Segunda revolución cuántica

“We never experiment with one electron, or atom or molecule. In thought-experiments, we sometimes assume that we do. This invariably entails ridiculous consequences...” British Journal of the Philosophy of Science (1952)

En 1952, Erwin Schrödinger pensaba que la manipulación de objetos microscópicos únicos era algo

imposible or photon

Premio Nobel en Física 2012 Control cuántico

France USA

Del control cuántico a las tecnologías cuánticas

1- Probabilidad e incertidumbres 2- Cuantización de la energía 3- Tunelamiento 4- Superposición 5- Enredamiento 6- Pérdida de la coherencia cuántica 7- ...

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/haroche-lecture.html

Montaje experimental S.Haroche

Creación de gatos de Scrhödinger

Muerte de gatos de Scrhödinger:

decoherencia

Iones uno por uno…

Ión único!

Saltos cuánticos…

Alta energía

Baja energía

1- Saltos instantáneos 2- En instantes aleatorios e incontrolados 3- Sólo se puede determinar la distribución estadística de los saltos

Observar saltos cuánticos en sistemas de materia condensada?

http://www.physics.ucsb.edu/~awschalom/

Centros NV de color en diamante

D.Awschalom et al., Scientific American, p.84, Octubre 2007

NV en diamante = qubit controlado por luz

Spin=1

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=pFthZFuJNqCpFM&tbnid=UjAUpNHoxptQ5M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.britannica.com/EBchecked/media/155372/Bohr-atomic-model-of-a-nitrogen-atom&ei=IVhTUYiQIILo8gTFmoCgBg&bvm=bv.44342787,d.dmg&psig=AFQjCNFCooUnCbh_po3pn_sCY8xWXGe5Bw&ust=1364502705559537

Centro Nitrógeno-Vacancia (NV) en diamante

3A

3E 1A

ΔE

=1.9

45

eV

3 G

Hz

Diamante: -bandgap 6 eV -Tdebay: 2000K Largo T2 de defectos a TA

Optical detection of single defects, Gruber A, Wrachtrup J et al, SCIENCE 276, 2012 (1997)

Control cuántico de NVs en diamante

… a temperatura ambiente…

D.D.Awschalom et al., Science 339, 1174 (2013)

Oscilaciones de Rabi

APS/S. Benjamin and J. Smith

Physics 4, 78 (2011) DOI: 10.1103/Physics.4.78 Driving a Hard Bargain with Diamond Qubits

Enredamiento de NVs en diamante

http://physics.aps.org/view_image/5830/medium/1

Enredamiento No-localidad de la física cuántica

“El enredamiento es la esencia del quantum” E.Schrödinger, 1935

Nature, in press

M.D.Lukin et al., Nature 467, 278 (2010)

Saltos cuánticos en centros NV en diamante

… a temperatura ambiente…

Saltos cuánticos en centros NV en diamante

… a temperatura ambiente…

Conclusiones y perspectivas…

S.K.Saikin et al., cond-mat/1304.0124

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=bohr+atom&source=images&cd=&cad=rja&docid=nZgye80_FPJ3LM&tbnid=Adw0qADuHjgqoM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.learn-math.info/historyDetail.htm?id=Bohr_Niels&ei=aWFTUaikM4f28gTt8YH4Cg&bvm=bv.44342787,d.dmQ&psig=AFQjCNF8SdXZ8sfykHqYhNxqYydPcrs9pw&ust=1364504378285356

Conclusiones y perspectivas…

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FIN

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