El doble prisma de Bose

 Experimento del doble prisma

Observaciones duales en un solo experimento: onda y corpúsculo, observados a la vez sobre un sistema individual

 Situaciones experimentales en que los aspectos ondulatorio y corpuscular se manifiestan simultánea y totalmente en un sistema individual.
Contra lo que Bohr suponía, existen situaciones experimentales en las que los aspectos ondulatorio y corpuscular se manifiestan simultánea y totalmente en un mismo sistema individual. Por ejemplo, el experimento del doble prisma, en el que se observan a la vez un efecto túnel, asociado con fenómenos ondulatorios, y una anti-coincidencia perfecta en la razón de contaje de dos detectores, lo que implica propagación por un solo camino, un fenómeno de tipo corpuscular.
Un experimento en que se observan simultáneamente un efecto túnel, asociado con fenómenos ondulatorios, y una anti-coincidencia perfecta, que implica propagación tipo partícula:

 Ghose and G.S. Agarwal; An experiment to throw more light on light; Phys. Let. A153 (1991) 403-406.

 Ghose,D. Home and G.S. Agarwal; ’An experiment to throw more light on light’: implications; Phys. Let. A168 (1992) 95-99.

 P. Ghose and D. Home, Found. Phys. 26, 7 (1996) 943-953.

 P. Ghose and D. Home; Simultaneously Sharp Wave and Particle-Like Property of Single Photon States in a Two-Prism Experiment; Recent Developments in Quantum Optics; Springer, 1993, pp 43-46.

 Mizobuchi and Y. Ohtaké; An ‘experiment to throw more light on light’; Phys. Let. A168 (1992) 1-5.

Un experimento en el que se exhiben a la vez los aspectos corpusculares y ondulatorios de la luz (entendidos como las descripciones de los resultados observados en términos de conceptos clásicos).

El experimento del doble prisma moderno se basa en la idea original del de Bose, de 1897 (s. XIX):

J. C. Bose; Proc. R. Cos. 62 (1897) 300.

• Publicado por diversos autores (de forma pionera por P. Ghose y G. S. Argawall, en 1991) y realizado posteriormente por varios equipos, el experimento se basa como hemos dicho en la idea original del doble prisma de Bose: se hace incidir radiación sobre dos prismas, que individualmente provocan reflexión total, y que se combinan enfrentados, separados por un hueco de aire.
• El experimento se realiza pues haciendo incidir radiación sobre dos prismas que, por separado, provocarían reflexión total; combinados opuestamente e intercalando un gap de aire, si éste se estrecha lo suficiente (esto es, del orden de la λ de los fotones empleados), se observa un efecto túnel, esto es, cierta transmisión, lo cual confirma la naturaleza ondulatoria.
• La siguiente figura ilustra el montaje descrito:

  

• Si la separación entre los dos prismas se estrecha lo suficiente, del orden de la longitud de onda de los fotones empleados, se observa un efecto túnel, esto es, cierta transmisión de radiación. Pero el fenómeno estaría prohibido en términos de la Física Clásica de corpúsculos, por existir una barrera de potencial infranqueable con la energía incidente de una partícula con la energía correspondiente a la frecuencia empleada. El efecto túnel se muestra porque el detector 1, al otro lado del hueco, tras el segundo prisma, señala la presencia de radiación, lo que confirma su naturaleza ondulatoria.
• Si se emplea radiación con estados monofotónicos («estados de Fock«), los dos detectores nunca detectan radiación en coincidencia en la misma ventana temporal, lo que indica un fenómeno corpuscular; pero el que el detector 1 detecte radiación en algunas ocasiones indica que se ha producido un efecto túnel, un característico fenómeno ondulatorio. De forma que se ha conseguido un experimento en el que los aspectos ondulatorio y corpuscular se manifiestan simultánea y totalmente en un sistema individual. Para ello se requiere una fuente que emita fotones anti-agrupados (anti-bunched light), un tipo de emisores que no empezaron a desarrollarse hasta la década de los 80 y que garantizan que no hay probabilidad apreciable de que el dispositivo esté siendo atravesado por más de un fotón en cada instante.
• Realizado el experimento con estados de un solo fotón, e involucrando dos detectores con la correspondiente ventana de coincidencia, según un esquema similar al siguiente (la figura no corresponde a la realización experimental del experimento referido):

  

• El efecto túnel (birrefrigencia en Brida et al) sigue ocurriendo y a la vez ambos detectores señalan detección en anti-coincidencia perfecta, algo esto último que implica propagación tipo partícula.

 Puede argüirse que en un experimento convencional de doble rendija, al coexistir la observación de las franjas de interferencia con la detección individual localizada de cada partícula, ya se observaban a la vez propiedades ondulatorias y corpusculares. Pero P. Ghose et al ya advierten en su artículo, no obstante, que esta muy usual afirmación no es del todo correcta, pues los eventos de detección individualizada discreta per se no implican propagación tipo partícula para la entidad detectada, ya que pueden considerarse como originados a partir de la estructura cuantizada de niveles de energía de los átomos que constituyen el detector:

 Cf. P. Ghose,D. Home and G.S. Agarwal, “’An experiment to throw more light on light’: implications”, Phys. Let. A168 (1992) 95-99, p. 96.

 En cualquier caso, lo radicalmente nuevo de estos experimentos es observar esa dualidad con un solo fotón, mientras que el patrón interferencial, aunque se hagan pasar las partículas una a una por el interferómetro, se forma sólo cuando el número de detecciones o impactos en la pantalla es suficiente.

 Nota: el experimento inicial de Mizobuchi y Ohtaké sufrió una crítica, ya que se juzgó por algunos autores que la anticoincidencia no había sido medida con la precisión requerida:

 C. S. Unnkrishnan, and S. A. Murphy; Some comments on the two prism tunneling experiment; Phys. Lett. A 221 (1996) 1-4.

-Posteriormente, otros autores realizaron de nuevo el experimento, superando esta dificultad:

Brida, M. Genovese, M. Gramegna and E. Predazzi; A conclusive experiment to throw more light on ‘light’; Phys. Let. A328 (2004) 313-318.

 Otros experimentos:

 Focus: Another Step Back for Wave-Particle Duality:  http://physics.aps.org/articles/v4/102 :

 We show you can do both wave and particle experiments at once,” Ionicioiu says. This means the choice of wave vs particle can be delayed indefinitely. The photon can be observed at one of the detectors and still not “know” if it is supposed to be a wave or a particle. It’s only when the observer decides to measure the state of the quantum control that the photon’s behavior can be identified as wavelike or particlelike.

 R. Auccaise, R. M. Serra, J. G. Filgueiras, R. S. SarthourI. S. Oliveira, L. C. Céleri;  Experimental analysis of the quantum complementarity principle; Phys. Rev. A 85 (2012) 032121:

 Abstract: One of the milestones of quantum mechanics is Bohr’s complementarity principle. It states that a single quantum can exhibit a particle-like \emph{or} a wave-like behaviour, but never both at the same time. These are mutually exclusive and complementary aspects of the quantum system. This means that we need distinct experimental arrangements in order to measure the particle or the wave nature of a physical system. One of the most known representations of this principle is the single-photon Mach-Zehnder interferometer. When the interferometer is closed an interference pattern is observed (wave aspect of the quantum) while if it is open, the quantum behaves like a particle. Here, using a molecular quantum information processor and employing nuclear magnetic resonant (NMR) techniques, we analyze the quantum version of this principle by means of an interferometer that is in a quantum superposition of being closed and open, and confirm that we can indeed measure both aspects of the system with the same experimental apparatus. More specifically, we observe with a single apparatus the interference between the particle and the wave aspects of a quantum system.

Referencias

• P. Ghose and G.S. Agarwal, “An experiment to throw more light on light”, Phys. Lett. A153(1991)403-406.
• P. Ghose, D. Home and G.S. Agarwal, “’An experiment to throw more light on light’: implications”, Phys. Lett. A168(1992)95-99.
• Y. Mizobuchi and Y. Ohtaké, “An ‘experiment to throw more light on light’”, Phys. Lett. A168(1992)1-5.
• G. Brida, M. Genovese, M. Gramegna and E. Predazzi, “A conclusive experiment to throw more light on ‘light’”, Phys. Lett. A328(2004)313-318.