Efecto Túnel

El efecto túnel es un fenómeno que pertenece a la física cuántica y como ocurre con otros fenómenos que se estudian en el ámbito de esta ciencia es algo contraintuitivo, aunque no tanto como la superposición o el entrelazamiento. Muchas de las imágenes que nos ofrece la naturaleza se deben a este fenómeno, de ahí el interés de comentarlo hoy un poco y dedicar otros días a sus aplicaciones.

A veces vemos como algún niño se distrae lanzando con el pie un balón sobre una pared que tiene delante, y como la pared se lo devuelve para que el niño repita una y otra vez la misma acción. Esto le resulta tan entretenido que el niño puede pasarse así un buen rato. Por supuesto en ningún momento se nos ocurre pensar que la pelota pueda pasar al otro lado de la pared, ya que la pared es una barrera que impide el paso de la pelota, cuyos rebotes se pueden explicar por las leyes de la física clásica. Pues bien, esto no ocurre cuando lanzamos una partícula contra una barrera de potencial, pues en este caso la partícula puede aparecer al otro lado de la barrera como se puede comprobar y explican las leyes de la física cuántica.

Aunque a veces se trazan paralelismos entre la física clásica y la física cuántica que resultan un tanto rebuscados, aquí el paralelismo es casi espontáneo: una pelota contra una barrera de ladrillo que le impide el paso y una partícula contra una barrera de potencial, que también es algo que se opone a que la partícula siga su camino. Los resultados no se parecen en nada. La física clásica explica el primero y la física cuántica el segundo. Veamos este último

La figura 1 muestra todo lo que necesitamos saber. La línea roja muestra el valor del potencial entre los puntos A y D. Como se ve, el potencial entre A y B y entre C y D vale cero. La barreara de potencial viene representada por la línea roja entre B y C. Su valor viene dado por su anchura BC y su altura h. La partícula P entra en escena por el punto A con una velocidad v moviéndose libremente. Al llegar al punto B su situación cambia porque se encuentra con la barrera de potencial. Si lograra atravesar esta barrera volvería a circular libremente entre C y D.

Para ver lo que pasa la física cuántica aplica la ecuación de onda de Schrödinger, que es una ecuación diferencial que se resuelve imponiendo todas las condiciones del fenómeno incluyendo sus condiciones iniciales y, por supuesto, el potencial de la barrera. Plantear correctamente y resolver después esta ecuación no es fácil, pero, afortunadamente, ya lo han hecho otros. El resultado es la línea azul de la figura, cuyo significado es el siguiente: el cuadrado del valor de la línea azul en un punto cualquiera nos da la probabilidad de que la partícula se encuentre en ese punto. Por lo tanto la probabilidad de que la partícula esté en el punto E vendrá dada por el cuadrado del segmento FG y así en cualquier otro punto. La longitud de onda λ es la misma a ambos lados de la barrera.

Como se ve la probabilidad de que la partícula se encuentre a la izquierda de la barrera es mucho mayor que la de que se encuentre a su derecha o en el interior de la misma barrera. Si hiciéramos este experimento muchas veces, comprobaríamos que se cumple lo que acabamos de decir, lo que significa que en muchas ocasiones la partícula rebota sobre la barrera porque no tiene energía suficiente para saltarla y que en otras, aunque las condiciones sean las mismas, puede aparecer al otro lado. Como puede parecer que la partícula hubiera hecho un túnel para cruzar la barrera este fenómeno se llama efecto túnel. Pero cuidado, que esto solo es una metáfora. La partícula no ha hecho ningún caminito-túnel ni nada parecido. La explicación solo es la que hemos dado en términos de probabilidades.

¿Cómo o por donde puede la partícula pasar al otro lado si el valor de la barrera supera sus posibilidades energéticas? No lo podemos explicar. Lo que sí sabemos es que ocurre y no es difícil comprobarlo. Para ello, como hablamos de probabilidades, basta repetir el experimento muchas veces y utilizar un detector de partículas para ver su posición.

El efecto túnel no es ningún juguete que hayan inventado los físicos para entretenerse en sus laboratorios. Su importancia es enorme y juega un papel tan importante en el universo que dedicaremos otros artículos a comentar como es determinante para la formación de la radiación solar, la desintegración radioactiva de algunos elementos, la fabricación de los microscopios que llevan su nombre o algunas mutaciones del ADN.

Fotografía: Fotografía gratuita de iStock