Cuando dos formas de hidrógeno chocan entre sí puede producirse un proceso inusual llamado tunelización cuántica. Los investigadores han calculado ahora la frecuencia con la que ocurre
Cuando las moléculas de hidrógeno y los átomos cargados de deuterio chocan, pueden intercambiar un protón mediante un proceso cuántico llamado tunelización, pero esto sólo ocurre una vez cada 10 mil millones de colisiones.
¿Qué es la tunelización cuántica?
La tunelización cuántica es un 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. 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.
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.
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.
Una vez en 10 mil millones de colisiones
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.
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”, afirma Wester. 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.
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Editor at Large Carla Rodriguez
Carla Rodriguez es una destacada especialista en divulgación científica, con más de 20 años de experiencia en la comunicación de temas complejos relacionados con la ciencia, el cambio climático, la energía renovable y la astronomía a un público amplio y diverso.
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