Tunelización cuántica

Tunelización cuántica
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Concepto:Fenómeno cuántico que propicia que una partícula viole los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula.

Tunelización cuántica. Extraño efecto que permite a partículas como los electrones, atravesar barreras en dispositivos de tamaño nanométrico o a los protones moverse entre moléculas. Esto último es importante para la química, donde un protón en túnel puede cambiar la composición de las moléculas aunque no tengan energía suficiente para una reacción convencional que hiciera lo mismo.

También conocido como efecto túnel, este fenómeno cuántico propicia que una partícula viole los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula.

El experimento

Roland Wester, de la Universidad de Innsbruck (Austria), y sus colegas querían medir con qué frecuencia se produce realmente en el laboratorio la tunelización cuántica entre una molécula y un átomo cargado, o ion. El tunelado cuántico puede permitir que las partículas atraviesen barreras

Para lograr lo que querían eligieron moléculas de hidrógeno e iones de deuterio porque el hidrógeno es el elemento más simple y el deuterio es como el hidrógeno con un neutrón más. Colocaron iones de deuterio en un cilindro metálico desprovisto de aire y rodeado por 22 varillas.

Cada varilla emitía radiación de microondas especialmente sintonizada para ejercer fuerzas electromagnéticas sobre los iones de deuterio, atrapándolos en un estado estable y predecible. A continuación, los investigadores añadieron moléculas de hidrógeno al cilindro para dar al deuterio algo con lo que interactuar.

Precauciones

Para evitar que se produjeran reacciones distintas de la tunelización cuántica, utilizaron helio líquido para enfriar todo el montaje a -258 °C, donde el deuterio y el hidrógeno tienen muy poca energía.

Tras esperar 15 minutos, Wester y sus colegas expulsaron todo fuera del cilindro y midieron las masas de los iones y las moléculas para ver si eran más ligeros o más pesados que antes, lo que indicaba que habían perdido o ganado un protón a través del túnel cuántico.

Más de una década experimentando

Wester afirma que su equipo lleva más de 15 años trabajando en este experimento y que ésta era la primera vez que no sólo encontraban pruebas de la tunelización, sino que además podían utilizar sus mediciones para calcular a qué velocidad se producía.

Descubrieron que sólo una de cada 10 mil millones de colisiones entre una molécula de hidrógeno y un ion de deuterio da lugar a un protón que pasa de una a otra, y esta cifra coincidía con las predicciones teóricas anteriores.

Teorías cuánticas de la química

La frecuencia con la que se produce la tunelización sólo puede predecirse y comprenderse a partir de teorías cuánticas de la química, por lo que medirla es una importante comprobación de dichas teorías...

afirma Stephan Schlemmer de la Universidad de Colonia (Alemania).

Como ocurre tan raramente, también ha sido extremadamente difícil de estudiar en un experimento...

afirma.

“Que yo sepa, sólo hay otros dos experimentos con iones en los que se haya observado algún signo de tunelización”

agrega Roland Wester.

Experimento exitoso

El éxito de su equipo se debió a que utilizaron más hidrógeno y esperaron más tiempo que en experimentos anteriores. El equipo está planeando ahora experimentos similares con otros tipos de hidrógeno, algunos de los cuales podrían estar relacionados con los procesos en los que participa el hidrógeno en el interior de las nubes interestelares.

Importancia y utilidad de la tunelización

La teoría de la tunelización o "efecto túnel" está siendo aplicada a la física de la cosmología del universo. Sus usos están, asimismo, derivándose a otras áreas del progreso tecnológico como:

  • Transmisión en frío de electrones, y quizá, de forma más importante y reconocida a la física de semiconductores y superconductores.
  • Fenómenos como la emisión de campo, vital para las memorias flash son dilucidados cuánticamente a través de las consecuencias del efecto túnel.
  • Recurso para ampliar el escape en la electrónica de Integración a Muy Altas Escalas o VLSI y resulta en el substancial poder de drenado y efecto de calentamiento que mina la tecnología móvil de alta velocidad.
  • Microscopio de efecto túnel (electrón-túnel) que puede presentar y resolver objetos que son muy pequeños para ser visualizados a través de microscopios convencionales.

Bibliografía

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Fuentes

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