El efecto túnel o tunelamiento cuántico 🚀

A lo largo de este blog hablaremos de mucha física y muchas matemáticas, pero sobretodo trataremos muchos temas relacionados con la mecánica cuántica. Esta rama de la física me apasiona porque, además de ser una teoría incompleta y en desarrollo, nos muestra el mundo de una manera distinta a cualquier otra, con razonamientos anti intuitivos interpretando el mundo como un ente variable y no absoluto. La mecánica cuántica asegura, entre otros muchos postulados, que dado un electrón no podemos conocer con toda la exactitud que queramos su posición y la velocidad que lleva. Hay un límite de precisión que nos condiciona: si logramos gran precisión en la posición no podremos describir con exactitud la velocidad, y viceversa. Este es el conocido principio de incertidumbre de Heissenberg y es de vital importancia para entender los fenómenos cuánticos. Pero medidas a parte, ¿qué es eso de que la posición de un electrón no está determinada? Con el fenómeno cuántico que explicaremos hoy veremos que la naturaleza probabilística de los electrones juega un papel fundamental.

Efecto túnel: cómo atravesar una barrera imposible

Vamos a realizar un pequeño y sencillo experimento que tan solo va a involucrar a un campo eléctrico y unos pocos electrones. Supongamos por un momento que estamos en el vacío y el campo eléctrico se extiende infinitamente dejando a los electrones detrás de esta "barrera" (esta simplificación es puramente conceptual y no afecta a la explicación del fenómeno). El campo de experimentación queda como en esta figura: 

Los puntitos amarillos son electrones y las flechas rosas simbolizan el campo eléctrico apuntando directamente hacia ellos

En este punto podríamos "lanzar" los electrones hacia el campo eléctrico y ver qué ocurre. La respuesta es sencilla: si los lanzamos con suficiente energía como para vencer al campo eléctrico, los electrones traspasarían la barrera, mientras que si no los lanzásemos con la suficiente energía, no lo harían. Supongamos que este último es nuestro caso y que intento tras intento no logramos que los electrones traspasen la barrera. Desolados, nos resignamos y desistimos en los intentos. Pero algo extraño ocurre: cuando apartamos por un momento la vista y volvemos a observar el sistema vemos que uno de los electrones ha traspasado la barrera, es decir, ha conseguido vencer sin ningún tipo de energía adicional la barrera que lo separaba del resto de electrones. ¿Es que acaso se ha teletransportado?

La dualidad onda-partícula y la función de onda

Para explicar bien este fenómeno, que se conoce con el nombre de efecto túnel, que en esencia verás que es consecuencia directa de ser un electrón, vamos primero a explicar la naturaleza de este.

La mecánica cuántica es una teoría que como hemos dicho al principio rompe con todos los esquemas de la física clásica. Una de esas ideas desterradas es la del electrón como partícula absoluta, como una "bolita" que está en el espacio. Es cierto que el electrón es una partícula, pero tiene unas propiedades ondulatorias que hacen que su comportamiento no se asemeje para nada al de partícula. Sin ir más lejos, uno de los experimentos en los que podemos ver esto es en el Experimento de la Doble Rendija, del que hablé en la primera entrada en este blog. Ahí el electrón (el experimento se ilustra con un átomo completo pero la explicación es igual) exhibe un comportamiento puramente ondulatorio. Los científicos vieron que ambos conceptos, el de "bolita" y el de onda, eran caras de una misma moneda y por eso en mecánica cuántica se habla de la DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA o DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO. 

¿Y cómo hicieron los físicos del siglo XX para gestionar este comportamiento? Aquí es cuando entra en escena Schrödinger, que sentó las bases de La Función de Onda que lleva su nombre, un ente matemático que permitió parametrizar, medir y predecir este característico comportamiento de los electrones como si fuesen ondas. Es por eso que este razonamiento funciona tan bien para explicar el experimento de la doble rendija y el efecto túnel: la Función de Onda transforma el espacio en un campo de probabilidades, que dicta donde es más probable o menos encontrarse al electrón. Es decir, que no podemos hablar de la posición concreta de un electrón porque, sencillamente, NO la tiene, sino que debemos hablar en términos de probabilidad (dónde es más probable encontrar al electrón). El electrón solamente manifiesta su posición exacta cuando le obligamos a hacerlo, es decir, cuando medimos (en términos físicos, decimos que en este caso la Función de onda ha colapsado).  Esta interpretación unida a que la Función de Onda es casi imposible de confinar y retener, es lo que dota al electrón de este comportamiento tan incierto pues aún habiendo una barrera tan potente como un campo eléctrico, existe una mínima probabilidad que encontrarse al otro lado. Veámoslo con un dibujo: 

Es dibujo muestras las posibles posiciones de UN electrón. La bolita más oscura (1) es el sitio más probable en el que encontremos al electrón. Los bolitas (2) y (3) son lugares en los que eventualmente también encontraríamos al electrón. Pero existe un mínima posibilidad de encontrárnosle en la posición de la bolita(4) que, aunque es muy poco probable, ocasionalmente ocurre. De esta forma si decidimos observar el electrón, la función de onda colapsará la mayoría de las veces en la zona de las bolitas (1), (2) y (3) pero también lo hará unas pocas veces donde la bolita (4), que es cuando decimos que se da el efecto túnel

Pero el efecto túnel no está solo presente en estas situaciones. De hecho, el efecto túnel es el fenómeno que explica la desintegración alpha de los núcleos de los átomos, que es una de las mayores cárceles en cuanto a partículas se refiere pero que aún así no puede confinar la función de onda. La desintegración alpha de un núcleo de un átomo ocurre cuando este espontáneamente emite un "mini-núcleo" formado por dos protones y dos neutrones. En este caso, nuestra barrera eléctrica sería la fuerza del núcleo atómico que mantiene los protones y los neutrones unidos, y los protones y neutrones serían nuestro electrón. Esta explicación se dio en 1928 por George Gamow, que resolvió por fin el enigma de la desintegración alpha.

Aprovechando este increíble fenómeno, los físicos han tratado de usarlo para su beneficio, construyendo por ejemplo microscopios de efecto túnel que permiten observar objetos que no pueden ser visualizados con microscopios convencionales y que además, solucionan los problemas que estos conllevan, como la aberración visual.

Como ves, la mecánica cuántica no deja a nadie indiferente pues todos los fenómenos asociados a ella son cuanto menos sorprendentes. En próximas entradas al blog, hablaremos de otros fenómenos relacionados con la mecánica cuántica, como el entrelazamiento o el efecto fotoeléctrico. 

Gracias por leerme una semana más!!

Autora: Paola Diago