Una partícula atraviesa una barrera infranqueable energizándose mediante la agitación cuántica
Una partícula cruza lo imposible: su energía cuántica le permite atravesar barreras que la física clásica no puede explicar. / ChatGPT/T21
EDUARDO MARTÍNEZ DE LA FE/T21
Madrid 30 JUL 2025
Una partícula es capaz de atravesar una pared infranqueable sin romperla ni derribarla, un fenómeno cuántico llamado efecto túnel que ha desafiado durante décadas nuestra comprensión. Ahora sabemos que el electrón no solo cruza realmente la barrera, sino que realiza una intrincada danza bajo ella, rebotando y ganando energía antes de emerger al otro lado.
El efecto túnel es uno de los fenómenos más importantes que surgieron con la llegada de la mecánica cuántica en el siglo XX. Describe cómo una partícula (como un electrón) puede atravesar una barrera que, según la física clásica, debería ser infranqueable. Este concepto fue esencial para demostrar que la mecánica cuántica era indispensable para entender fenómenos naturales imposibles de justificar mediante la física tradicional.
A lo largo del siglo XX y XXI, el efecto túnel se convirtió en pilar de numerosos avances científicos y tecnológicos: hoy es clave en procesos como la fusión nuclear dentro de las estrellas —de donde procede la energía solar—, y es la base de tecnologías modernas como el microscopio de efecto túnel, que permite visualizar y manipular átomos individuales. Además, el efecto túnel sostiene el funcionamiento de semiconductores, diodos cuánticos, memorias flash y componentes ultraminiaturizados presentes en la electrónica contemporánea. En biología, ha sido propuesto como mecanismo detrás de ciertas mutaciones de ADN y reacciones enzimáticas.
Sin embargo, siempre ha intrigado cómo funciona el “efecto túnel”. La clave se ha atribuido a la naturaleza dual de las partículas: a veces se comportan como diminutos objetos, pero otras como ondas que se extienden. En base a esto, hasta ahora se creía que el efecto túnel era simplemente una cuestión estática y sin detalles internos accesibles: la partícula cruzaba la barrera sin despeinarse (ni gana ni pierde energía) de forma casi tan instantánea como misteriosa. Sin embargo, los experimentos y teorías nunca consiguieron describir detalles de cómo puede ocurrir esto en la naturaleza cuántica.
Misterio resuelto
Este misterio del efecto túnel cuántico ha sido finalmente aclarado gracias a una nueva investigación experimental y teórica, cuyos resultados se publican en la revista Physical Review Letters. Un equipo liderado por Tsendsuren Khurelbaatar abordó el problema desde un enfoque tanto experimental como teórico, logrando visualizar y modelar lo que sucede realmente durante el efecto túnel.
Ha comprobado que, incluso si su energía no es suficiente para superar la barrera, la onda asociada a una partícula no se anula completamente dentro del túnel, lo que confirma que existe una posibilidad real de que el electrón, de forma casi fantasmal, emerja al otro lado, como si hubiera encontrado la forma de atravesar un obstáculo infranqueable.
Según la nueva investigación, el electrón no solo se “cuela” dentro del túnel, sino que rebota e interactúa con el núcleo del átomo del que partió: así es como gana la energía suficiente para emerger en estados excitados (sudando, diríamos en nuestro lenguaje cotidiano) al otro lado de la barrera. Es como si hubiera encontrado rincones dentro del túnel donde “rebotar” y tomar impulso, aumentando así la probabilidad de aparecer intacto por el otro lado. Esta agitación es la que hace que el electrón alcance estados excitados de una manera mucho más eficiente, provocando unas resonancias características (llamadas resonancias de Freeman, un fenómeno no bien descrito en los modelos anteriores), que le permiten “atravesar la barrera” sin alterarse.
¿Cómo se demostró?
El grupo realizó experimentos de alta precisión empleando campos láser intensos. Cuando en un laboratorio se usan láseres ultrarrápidos y muy potentes, la intensidad de la luz es tan elevada que puede arrancar electrones de los átomos, desencadenando fenómenos que jamás veríamos a simple vista. Son estos campos súper concentrados de luz los que permiten a los experimentos actuales “agitar” a las partículas y explorar procesos que son imposibles en el mundo clásico.
En el caso de esta investigación, los investigadores se valieron de detectores sofisticados para medir el patrón de energías de los electrones emitidos por la intensidad de la luz. Paralelamente, desarrollaron un modelo tridimensional que incorporaba estos procesos. Los resultados experimentales cuadraron perfectamente con los cálculos, corroborando que el misterio del efecto túnel (específicamente, cómo y por qué emergen ciertas resonancias bajo la barrera) se debe a estos rebotes cuánticos durante el proceso que se desarrolla dentro del túnel.
Aplicaciones tecnológicas
Este hallazgo tiene implicaciones profundas para entender y controlar procesos cuánticos en átomos, moléculas y materiales bajo campos intensos, abriendo la puerta a nuevas tecnologías y experimentos fundamentales, señalan los investigadores.
Además, este avance supone un salto conceptual: ahora no solo se sabe que el electrón realmente “atraviesa la barrera”, sino que lo hace de una forma que la intuición clásica jamás sospecharía. La física cuántica nunca deja de sorprendernos.
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Referencia
Unveiling Under-the-Barrier Electron Dynamics in Strong Field Tunneling. Tsendsuren Khurelbaatar et al. Phys. Rev. Lett. 134, 213201 – Published 27 May, 2025. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.213201
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