EL EFECTO TUNEL CUANTICO
La radiactividad solo puede explicarse con la Física cuántica. Una partícula alfa puede necesitar mucha energía para escapar de la fuerte fuerza del núcleo, pero debido a que hay una pequeña probabilidad de que pueda hacerlo, existe la posibilidad de que la partícula supere la barrera de energía. A esto se le denomina efecto túnel cuántico.
Cuando lanzamos una pelota a una pared, esperamos que rebote. Imagine si, en lugar de ello, apareciera al otro lado de la pared. Esto es lo que puede ocurrir a la escala atómica, según las reglas de la Física cuántica.
Puesto que una partícula, una molécula, o incluso un gato, pueden describirse como una onda (tal como se indica en la función de onda de la ecuación de Schrodinger), hay una cierta probabilidad de que sea extensiva. Los electrones, por ejemplo, no orbitan alrededor de su núcleo como si fueran planetas, sino que se extienden sobre todas sus capas orbitales. Si pensamos en el electrón como una partícula, estará en un lugar dentro de una determinada región, con una cierta probabilidad. Es improbable, pero los electrones pueden incluso saltar de sus átomos hospedadores.
El efecto túnel cuántico es la capacidad de una partícula de conseguir una hazaña en el mundo cuántico que no sería posible en el mundo clásico. Es como si un caballo pudiera llegar al otro lado de una valla demasiado alta para saltar la por encima porque su función de onda puede perforarla. Superar las barreras de energía mediante el efecto túnel desempeña un papel en los procesos de fusión nuclear que encienden nuestro Sol y las demás estrellas, y tiene aplicación en electrónica y óptica.
Desintegración radiactiva
Los físicos llegaron a la idea del efecto túnel cuando intentaban deducir de qué manera se desintegran los átomos radiactivos. Es imposible predecir el momento exacto en el que un núcleo inestable se separará y liberará burbujas de radiación, pero en promedio, para muchos núcleos, se puede decir la probabilidad que tiene. Esta información se suele dar en términos de vida media, el tiempo que tardan en desintegrarse la mitad, aproximadamente, de los átomos. Más formalmente, es el tiempo en el que hay un 50% de probabilidad de que un átomo se haya desintegrado.
En 1926, Friedrich Hund ideó el concepto de efecto túnel cuántico, que pronto se empleó para explicar la desintegración alfa. Un trozo de polonio- 212, por ejemplo, emite fácilmente partículas alfa con una vida media de 0,3 microsegundos. Estas poseen energías típicas de alrededor 9.000.000 de electronvoltios. Pero la partícula alfa debería requerir 26 megaelectronvoltios para escapar de la energía de enlace del núcleo, según la Física clásica. No debería poder saltar en absoluto, pero es evidente que lo hace. ¿Qué ocurre?
Debido a las incertidumbres de la Física cuántica, existe una pequeña probabilidad de que una partícula alfa escape del átomo de polonio. La partícula alfa puede saltar o atravesar un túnel cuántico a través de la barrera de alta energía, y existe la probabilidad de que lo haga empleando la ecuación de onda de Schrodinger, extendiendo la función de onda más allá del átomo. Max Born se dio cuenta de que el efecto túnel era una característica general de la Física cuántica y no estaba restringido a la Física nuclear.
¿Cómo podemos imaginar el efecto túnel cuántico? La partícula alfa es como una bola que rueda por un valle. Si tiene una cantidad pequeña de energía se mueve hacia delante y hacia atrás pero está atrapada. Si obtiene la suficiente energía, podría rodar colina arriba y escapar del valle. Esta es la imagen de la Física clásica.
En el mundo cuántico, la partícula alfa tiene también tendencias ondulatorias. Y estas pueden extenderse. Según la ecuación de onda de Schrodinger, las propiedades de la partícula pueden describirse mediante una función de onda, que aproximadamente se parece a una onda sinusoidal. La función de onda ha de ser continua, y reflejar el hecho de que lo más probable es que la partícula exista dentro del átomo, pero que existe asimismo una pequeña probabilidad de que la partícula pueda escapar del valle de la carga nuclear, de manera que ha de perderse en cierta medida.
Si se visualiza desde el punto de vista matemático, la función de onda es una onda sinusoidal dentro del valle, pero cuando alcanza las laderas de la colina se extiende directamente a través de dicha barrera energética. Reduce de manera uniforme su intensidad a medida que la atraviesa, de manera que una barrera más gruesa es más difícil de penetrar, pero no imposible. Y después recupera su carácter ondulante de onda sinusoidal al otro lado de la colina. Si se calcula la intensidad de la función de onda en el lado alejado de la colina en relación con la que tiene en su interior, puede establecerse la probabilidad de que la partícula alfa escape.
Ondas evanescentes
La luz puede extender energía a través de un espejo gracias a un fenómeno relacionado. Una dedo que roza un espejo y es reflejado por completo no puede explicarse simplemente utilizando las ecuaciones de Maxwell de las ondas electromagnéticas. Para mantener intactas las propiedades de las ondas y equilibrar las ecuaciones, algo de energía ha de pasar a través del espejo. Esto es lo que se conoce como onda evanescente.
Las ondas evanescentes se deterioran exponencialmente en potencia, y pronto se hacen tan débiles que son invisibles. Pero si otro material equivalente se situara cerca del primer espejo, puede captar la energía y transmitir. Está técnica de acoplamiento se emplea para algunos dispositivos ópticos y es análoga a la extensión de energía magnética entre bobinas inductoras en un transformador.
El efecto túnel también es útil en electrónica. Permite que los electrones saltan barreras de una manera controlada en series de semiconductores y superconductores. Las uniones túnel, por ejemplo, están hechas a base de dos materiales conductores entre los cuales se ha intercalado un aislante. Unos pocos electrones pueden saltar de un lado a otro a través del aislante. El efecto túnel se utiliza también en algunos tipos de diodos y transistores, como un medio de controlar los voltajes, algo así como un control del volumen.
El microscopio de efecto túnel utiliza el principio para producir imágenes de la superficie de los materiales, de la que revela detalles a la escala de átomos. Lo hace colocando una aguja cargada cerca de la superficie. Un pequeño número de electrones se abre camino mediante el efecto túnel desde la aguja hacia la superficie, y la intensidad de la corriente indica la distancia que hay entre ellos.
¿Pero qué es en realidad el Efecto túnel?
Como explicación teórica podemos decir que es una de las consecuencias matemáticas de la resolución de la Ecuación de Schrödinger. Formulada en 1925 por Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961), el primero en observar que esta consecuencia no era un error fue Richard Phillips Feynman (1918-1988). Por lo tanto, y según el Principio de incertidumbre de Heisenberg, al resolver la ecuación obtenemos cierta probabilidad de que una partícula pueda aparecer al otro lado de la barrera de potencial.
Pero la verdad es que esto no parece aclarar mucho. Ecuaciones, principios y una barrera imaginaria. ¡¿Y donde está el túnel?! Vayamos por partes. Primero tenemos que tener en cuenta que estamos en el ámbito de la Física Cuántica, por lo que nos referimos a partículas y distancias muy pequeñas, donde las fuerzas de interacción, que normalmente parecen no tener efecto, son capaces de confinar las partículas en ciertas áreas gracias a la interacción entre ellas y lo que llamamos barreras de potencial. Después debemos conocer unos conceptos básicos:
Movimiento ondulatorio: En 1924, Louis de Broglie (1892-1987) postula que una partícula cargada puede ser descrita mediante la teoría ondulatoria. Este postulado supone el cambio de pensamiento necesario para empezar a entender las partículas atómicas y sub-atómicas.
Principio de Incertidumbre de Heisenberg: Principio según el cual es imposible medir simultáneamente y de forma precisa, el valor de la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. Esto ocurre debido a que al medir la posición de una partícula interaccionamos con ella y le transmitimos energía, alterando la velocidad y por lo tanto el momento.
Ecuación de Schrödinger: Ecuación de segundo grado que describe el movimiento ondulatorio de un electrón siendo ¥ la función de onda. Podemos observar varias características de la ecuación. Las soluciones de la ecuación dependen de los números cuánticos de la partícula. La ecuación integra las energías potencial y cinética que definen el comportamiento de la onda.
Energía cinética: Es la energía que posee un cuerpo en movimiento y depende directamente de la velocidad.
Barrera de potencial: Es un concepto teórico que marca el límite entre las diferentes zonas de energía producidas por la interacción entre fuerzas. Se usa para marcar el límite de la relación de energías cinética y potencial, (E-V) que se analiza en la Ecuación de Schrödinger delimitando dónde puede estar una partícula a priori.
Y una vez que tenemos las piezas, unimos el puzzle.
De un electrón o partícula descrito por una función de onda puede obtenerse una probabilidad de encontrarlo en una posición dada mediante las soluciones de la Ecuación de Schrödinger y analizando las diferentes regiones (E-V). Si la energía cinética es muy alta y superior a la potencial, E>V, el electrón pasa por encima de la barrera de potencial, pero si E<V, el electrón choca contra la barrera, rebotando con una nueva función de onda. Ahora bien, según las soluciones de la ecuación de onda ¥(x), existe una pequeña probabilidad de que el electrón aparezca al otro lado de la barrera. Y, ¿como es esto posible? He aquí el Efecto túnel.
Si la barrera es estrecha, una partícula con las condiciones precisas, al chocar con ella la atravesará por un «túnel», perdiendo energía en el proceso. En realidad no se genera un «túnel». En realidad este es un intento de explicar «clásicamente» un fenómeno cuántico aparentemente más relacionado con el azar que con la Física. Normalmente este efecto se suele comparar macroscópicamente a una pelota que se lanza contra una montaña y que en vez de lanzarla con más fuerza para que pase por encima, la hacemos atravesar la montaña. No está mal, pero imaginar que la pelota atraviesa la montaña es un poco complicado. Voy a intentar utilizar otra analogía.
Imaginemos que estamos en Matrix y Neo crea una barrera de esas que paran las balas. Una barrera invisible y delgada (el grosor importa por el Principio de Incertidumbre y si es muy gruesa no pasará ninguna partícula). Ahora situamos un Agente con una pistola disparando balas con una determinada energía cinética. Todas las balas chocan con la barrera y se quedan pegadas. Podríamos intentar que un Agente con un rifle de francotirador dispararase con una bala que tiene mucha más energía cinética. Pero pasaría por encima de Neo al estar cerca y no poder caer por la gravedad debido a la gran energía que lleva (caso con E>V).
Neo contra los Agentes
Neo crea una barrera delante de él para que no puedan llegar las balas. El francotirador tiene demasiada energía para alcanzarlo pasando por encima de ambos (E>V) y el Agente dispara muchas balas (E<V) hasta que una atraviesa la barrera. Pero como los Agentes son muy persitentes, siguen disparando con frustración. Y resulta, que por probabilidad, una bala adquiere unas condiciones especiales de forma que «aparece» al otro lado de la barrera de Neo y...bueno, podemos imaginar el final. Es cierto que la bala se frenará mucho, pues al atravesar la barrera pierde mucha energía, pero Neo tendrá problemas.
Parece imposible, pero al igual que en Matrix, la Física Cuántica tiene sus propias reglas. Simplemente es una cuestión de probabilidad que un electrón adquiera la capacidad de traspasar la barrera. Pero la teoría nos dice que la probabilidad se cumple. El Efecto túnel, aunque se presta a muchos juegos de palabras, ha sido un efecto que ha complicado mucho la vida a los físicos, pues es el causante de una gran cantidad de problemas, sobre todo en microelectrónica, con la fuga de electrones. Aunque es cierto que hemos aprendido a controlarlo y a obtener muchas aplicaciones prácticas.
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