Efecto túnel, cuando las partículas se saltan las barreras

Es una ley de la naturaleza: las cosas sólo ocurren si tienes energía suficiente. Si el agua no está caliente no romperá a hervir; si chutamos con poca fuerza la bola no llegará a portería; si golpeamos un huevo con demasiada delicadeza no lograremos romper la cáscara. La energía, ya sea en forma de velocidad, potencia muscular o temperatura, es el requisito necesario para hacer ciertas cosas. O eso pensábamos antes de la revolución: antes del mundo cuántico. Ahora sabemos que algunas cosas pueden ocurrir incluso si no tenemos energía suficiente para que ocurran. A esta subversión del sentido común la llamamos efecto túnel.

El origen del nombre es sencillo: imaginemos una pequeña colina. Nosotros tenemos una pelota y queremos lanzarla al otro lado. Lógicamente, si no le damos velocidad suficiente para que supere la cima, no pasará al otro lado: rebotará contra la ladera, o subirá hasta cierta altura y bajará rodando. De nuevo estamos ante un problema de energía: si no damos suficiente energía a la pelota se quedará en nuestro lado de la colina. Bueno, pues el efecto túnel consiste en que no le damos energía suficiente pero, a pesar de ello, la pelota pasa al otro lado y baja rodando por la ladera opuesta. Es como si hubiera pasado por un túnel que atraviesa la colina. Pero claro, no hay ningún túnel.

¿Magia? No: física. Lo que pasa es que no es la física a la que estamos acostumbrados. Desde luego, esto nunca ocurrirá con una pelota y una colina. Lo hemos observado en electrones que han de atravesar un campo eléctrico, en átomos atrapados en campos magnéticos, o en partículas que entran y salen de los núcleos atómicos. Es un fenómeno bien entendido y que no tiene nada de esotérico, pero si lo queremos entender bien hemos de empezar a pensar cuánticamente. Y eso, creedme, no es en absoluto difícil.

Adiós a las partículas

Lo más importante que nos hemos de quitar de la cabeza es esto de que los átomos y los electrones son pelotitas. Esa imagen mental es útil en algunas circunstancias, pero resulta desacertada para la mayoría de fenómenos cuánticos, y es decididamente pésima para el efecto túnel. Cuando “tunelean”, los electrones y los átomos están mostrando otra de sus caras: se están comportando como objetos extensos, que ocupan un volumen grande del espacio.

En un artículo anterior ya tratamos de argumentar que las partículas se entienden mejor como ondas que como pelotitas. Las ondas tienen tendencia a expandirse y ocupar un volumen grande, poseen un “tamaño típico” relacionado con su longitud de onda, y pueden combinarse con otras ondas, dando lugar a patrones de interferencia. Todos estos rasgos aparecen en los electrones en los átomos, en los protones en los núcleos o en los fotones en un láser. Podemos imaginar, si queremos, a las partículas cuánticas como el sonido en una habitación, moviéndose en todas direcciones, rebotando en las paredes y colándose en la habitación de al lado por debajo de la ranura de una puerta. Esta metáfora es limitada, pero captura buena parte de las diferencias entre el mundo clásico y el mundo cuántico.

Así pues, hemos de imaginar un efecto túnel con sonido. ¿Pero cómo? No podemos pegarle una patada al sonido y lanzarlo por encima de una colina. Necesitamos una barrera, algo que pueda evitar que la onda avance. Y qué mejor barrera que… bueno, una pared.

No puedes pasar

Pero cuidado, no nos va a servir cualquier pared. En nuestro experimento de la colina y la pelota, ésta sube por la ladera, llega hasta cierta altura y luego vuelve a caer. La “pared” en ese caso es la parte alta de la colina, de la que la pelota sale “rebotada”. Pues bien, aquí está la trampa: el sonido puede moverse por el interior de muchas paredes. El sonido se mueve a través de la piedra, la madera y el plástico; se mueve a una velocidad diferente, normalmente mayor que en el aire, pero se mueve. Nuestra pelota, en cambio, no se mueve por la cumbre de la colina porque nunca llega a ella. Necesitamos una pared por la que el sonido no se pueda mover.

Por fortuna, tal cosa existe. Para moverse, el sonido necesita un material elástico. Si fabricamos nuestra pared de un material muy viscoso la energía del sonido será absorbida por el material y la onda no podrá propagarse bien. Así es, de hecho, como funcionan los materiales aislantes que instalamos en las paredes de las discotecas y las salas de concierto. Así que nos puede valer una pared de espuma, una formada por capas de tela o quizá hecha de algún líquido muy viscoso.

Ahora que ya tenemos la pared adecuada… sólo hemos de sentarnos y presenciar el efecto túnel “sónico”. Lo que va a ocurrir es lo siguiente: el sonido se puede propagar por el aire, fuera de la pared; cuando llega a ésta una parte del sonido rebota, como ocurre en cualquier pared, pero otra parte trata de moverse por el interior. Como nuestra pared es absorbente el intento es en vano: el material “se come” el sonido. La intensidad del sonido se va perdiendo a medida que se adentra en la pared, hasta que, si la pared es muy ancha, el sonido se pierde.

Pero ¿y si no es tan ancha? ¿Qué ocurre si la pared se termina antes de haber extinguido todo el sonido? Pues fácil: que el poco que logra llegar al otro lado sigue moviéndose por el aire, tan ricamente. Ha “tuneleado”: ha atravesado una pared por la que, en principio, no se podía mover.

De vuelta al mundo cuántico

Todo lo que acabamos de explicar es válido para ondas clásicas, como el sonido, pero en realidad es una propiedad muy general de casi cualquier onda. Para que haya efecto túnel, lo fundamental es que las ondas pueden penetrar en lugares por los que no se pueden mover. Esta propiedad las diferencia drásticamente de las partículas de toda la vida. Una partícula, si no puede moverse por un lugar, nunca llega a ese lugar, como la pelota de nuestro experimento mental, que nunca llega a la cumbre. Una onda, en cambio, sí que puede llegar porque posee esos “estados intermedios”, en los que no se propaga pero sí mete la patita. En física de ondas, a esos estados se los llama ondas evanescentes; en física de partículas a menudo nos referimos a ellos como partículas virtuales; cuando sirven para superar una barrera hablamos de efecto túnel.

El hecho de que electrones, átomos y otros sistemas cuánticos muestren este tipo de estados es una prueba más de que en realidad son sistemas ondulatorios. Y si son ondulatorios ¿debería sorprendernos que tuneleen? Lo que ofende a nuestra intuición no es el propio efecto túnel, sino que intentamos visualizarlo como una partícula que se está moviendo por el interior de una montaña, lo cual es absurdo. Para aliviar esa tensión, el primer paso es imaginar las partículas como algo más parecido a lo que realmente son.

QUE NO TE LA CUELEN

• El efecto túnel no es un fenómeno exclusivo de la física cuántica. Al contrario, es un fenómeno ondulatorio que aparece en la física cuántica porque los sistemas cuánticos tienen muchas propiedades ondulatorias.
• Aunque en este artículo nos hemos centrado en el concepto del efecto túnel, el fenómeno está presente en muchos procesos naturales: en muchas reacciones químicas los electrones saltan de unas especies a otras por efecto túnel, en el interior de las estrellas la fusión nuclear se produce por efecto túnel, y aquí en la Tierra lo utilizamos para hacer microscopios.

REFERENCIAS

• Philip Ball. Cuántica. Qué significa la teoría de la ciencia más extraña. Turner (2018)
• Mohsen Razavy. Quantum Theory of Tunneling. World Scientific (2013)
• Aneta S. Stodolna et al. Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States. Physical Review Letters, vol. 110, 213001 (2013)