Aunque pueda sonar a historias de ciencia ficción, el efecto túnel permite a las partículas “saltar” o “atravesar” barreras que deberían ser insuperables.
Desafiante. Quizás ese adjetivo es uno de los que mejor definen a la cuántica, una disciplina que reta la concepción que tenemos del mundo que nos rodea y que provoca dudas acerca de lo que realmente comprendemos y lo que no. Un fenómeno muy característico de esta rama de la física – y uno de los más curiosos y atractivos por su singularidad – es el efecto túnel, un suceso que permite a las partículas “saltar” o “atravesar” barreras que, según las leyes clásicas, deberían ser insuperables.
Sin embargo, lo más fascinante es que, aunque este efecto pueda sonar a ciencia ficción o perteneciente a historias de naves espaciales que saltan de un punto a otro del Universo atravesando barreras invisibles, este fenómeno no solo es real, sino que también tiene aplicaciones prácticas en nuestra vida cotidiana y en diversos campos de la ciencia y la tecnología.
UN CONCEPTO REVOLUCIONARIO
El efecto túnel fue uno de los primeros conceptos que dio a luz la mecánica cuántica, en la década de 1920, como resultado de las investigaciones de figuras tan importantes como Max Born, Werner Heisenberg o Erwin Schrödinger, quienes exploraban la naturaleza ondulatoria de las partículas subatómicas. Por su parte, el físico Friedrich Hund fue el encargado de acuñar el término “efecto túnel” en 1927, describiendo cómo las partículas pueden penetrar barreras potenciales sin tener la energía clásica suficiente para superarlas, desafiando así las leyes físicas convencionales.
A lo largo de las décadas, el efecto túnel fue objeto de una intensa investigación experimental y teórica, con experimentos clave como el de la barrera de potencial realizado por Brian Josephson en la década de 1960. Este experimento demostró que los pares de electrones podían atravesar barreras de potencial sin perder energía, confirmando así las predicciones de la mecánica cuántica y las hipótesis del resto de físicos teóricos. Fue justo este experimento el que solidificó la existencia del efecto túnel y lo estableció como uno de los fundamentos de la cuántica.
Ahora bien, con el tiempo el estudio del efecto túnel ha evolucionado y se ha enriquecido con las contribuciones de numerosos científicos y físicos teóricos. Desde la comprensión de los procesos nucleares en las estrellas hasta sus aplicaciones en la electrónica y la nanotecnología, el efecto túnel se ha coronado como un fenómeno omnipresente y ampliamente versátil.
¿QUÉ ES EL EFECTO TÚNEL?
Responder a la pregunta de qué es el efecto túnel sin entrar en tecnicismos no es una tarea sencilla, pero puede darse una explicación simplificada que ilustre en qué consiste este singular proceso. Imagina que tienes una pelota que rueda por la montaña. Según las leyes de la física clásica, la pelota tendería a rodar hacia abajo, siguiendo la inclinación de la montaña: si quisiera subir hasta la encima para luego descender, la pelota necesitaría una energía adicional que la propulsase cuesta arriba.
No obstante, en la mecánica cuántica, esa misma pelota podría llegar a “atravesar” la montaña sin la necesidad de tener esa energía adicional. En términos más técnicos, este fenómeno se conoce como “tunelado cuántico”, utilizando esa metáfora para hacer referencia a un túnel invisible que conectaría ambos lados de la montaña por debajo del pico y a través del cual la pelota podría pasar perfectamente. Pues bien, este ejemplo puede extrapolarse a las partículas subatómicas, como los electrones, los cuales podrán “saltar” a través de ciertas barreras de energía sin necesidad de tener la energía suficiente para superarlas según las leyes de la física clásica.
Ahora bien, es importante señalar que el efecto túnel ocurre solamente a escalas extremadamente pequeñas, en el mundo subatómico. De hecho, este solo es notable cuando las partículas intercambian energía en niveles muy bajos, y se rige siempre por la segunda ley de la termodinámica – la cantidad de entropía en el Universo, tiende a incrementarse con el paso del tiempo.
EL EFECTO TÚNEL EN EL MUNDO REAL
Sin embargo, a pesar de esta manifestación en escalas subatómicas, sus aplicaciones prácticas son muy amplias y diversas, abarcando campos muy variados. Por ejemplo, una de las aplicaciones más importantes del efecto túnel se encuentra en la electrónica y en el diseño de dispositivos conductores, los cuales aprovechan el tunelado cuántico para crear cambios abruptos en el flujo de corriente eléctrica, permitiendo así una conmutación más rápida y eficiente que los dispositivos más convencionales.
También en investigación y manipulación de estructuras a escala nanométrica es un fenómeno de gran importancia, sobre todo a través de la microscopía de efecto túnel (STM). El STM utiliza así el efecto túnel para explorar y visualizar superficies a nivel atómico, lo que ha permitido avances significativos en la comprensión y el diseño de materiales y dispositivos a nanoescala. Es además fundamental para la fabricación y el funcionamiento de nanodispositivos, como los nanotubos de carbono o los puntos cuánticos, protagonistas del Nobel de Química de 2023.
Incluso en medicina destaca el efecto túnel, donde ha comenzado a ser explorado para aplicaciones de diagnóstico y tratamiento. Por ejemplo, la resonancia magnética por efecto túnel (TQMR) es una técnica que utiliza el efecto túnel para mejorar la sensibilidad y la precisión de las imágenes médicas, permitiendo la detección temprana de enfermedades, así como las condiciones médicas, incluyendo una resolución sin precedentes.
Noelia Freire
