Científicos alemanes logran abrir un túnel cuántico por primera vez en la historia
Científicos
alemanes han observado por primera vez el efecto túnel cuántico en una reacción
química, toda una proeza tecnológica conseguida después de 15 de años de
investigación que impulsará desarrollos en campos como la electrónica y la astrofísica.
Se
llama túnel cuántico a una característica propia de las partículas elementales:
les permite atravesar un túnel, aunque exista una pared insalvable atravesada
en su interior.
Cuando
atraviesa el túnel cuántico, una partícula, como un protón o un electrón, es
capaz de convertirse en onda y de traspasar una barrera infranqueable como si
fuera una onda de sonido. Una vez al otro lado de la barrera, recupera su
identidad de partícula y sigue su trayectoria hasta salir del túnel.
Tanto
la fotosíntesis, como la fusión nuclear en el Sol o la electrónica actual, se
basan en esta paradoja del mundo cuántico.
Incluso
los péptidos, cadenas cortas de aminoácidos (las moléculas que forman las
proteínas), pueden formarse en el polvo cósmico gracias a los túneles
cuánticos, según una reciente investigación de la que informamos en otro
artículo. Esos túneles podrían haber traído la vida la Tierra.
Una
nueva investigación ha comprobado ahora que el efecto túnel cuántico permite
que se produzcan reacciones químicas por debajo del umbral de energía que
realmente se requiere.
Eso
significa que los efectos cuánticos desempeñan un papel importante en las
reacciones químicas, destacan los investigadores: han podido observar por
primera vez cómo se forman moléculas a través de túneles cuánticos.
Para
comprender mejor el alcance de la nueva investigación hay que tener en cuenta
que la tunelización cuántica se explica mejor en términos de energía: indica
que las partículas elementales pueden atravesar una barrera a pesar de que no
tienen suficiente energía como para derribarla. Un punto importante a tener en
cuenta es que los túneles cuánticos conservan energía.
La
formación de túneles cuánticos, que se observó por primera vez en 1927, no
puede ser predicha por ningún sistema clásico, pero se ha observado indirectamente
en reacciones químicas que no pueden explicarse sin el efecto túnel.
En
el universo químico la formación de túneles cuánticos siempre ha estado
presente, pero oculta debajo de la reactividad térmica. Se desarrolla a bajas
temperaturas y luego puede afectar significativamente a la reactividad y a la
selectividad de una reacción química.
El
control del efecto túnel de las reacciones químicas constituye, junto al
control cinético y termodinámico, el tercer paradigma de la reactividad
química.
Es
en este contexto en el que se sitúa la nueva investigación: físicos dirigidos
por Roland Wester, de la Universidad de Innsbruck, han observado directamente,
por primera vez, una reacción de túnel mecánico cuántico en experimentos
químicos, según se explica en un comunicado.
Este
desarrollo es importante porque las reacciones de efecto túnel en química son
muy difíciles de predecir. La descripción mecánica cuántica exacta de las
reacciones químicas con más de tres partículas es difícil, con más de cuatro
partículas es casi imposible. Predecir la tunelización oculta en las reacciones
químicas más complejas es un desafío que hasta ahora no había sido superado.
En
2018, los físicos teóricos calcularon que en un sistema químico el túnel cuántico
ocurre solo en una de cada cien mil millones de colisiones. ¿Cómo podríamos
observar al menos una de ellas?
Eso
es lo que han conseguido los físicos de Innsbruck después de 15 años de
investigación: introdujeron deuterio, un isótopo de hidrógeno, en una trampa de
iones y luego lo enfriaron para que perdiera energía y no pudiera ejercer reacción
alguna con el hidrógeno.
Pero,
contra toda lógica, la reacción se produjo por el efecto túnel cuántico y los
investigadores pudieron comprobarlo con sus propios ojos. Incluso han elaborado
un modelo teórico para el efecto túnel en una reacción química que establece
con qué frecuencia ocurren estas reacciones.
Este
resultado ha desatado el entusiasmo entre los científicos, porque otras
reacciones químicas podrían explotar también el efecto túnel: ahora se pueden
desarrollar modelos teóricos más simples para otras reacciones químicas y
probarlos en la reacción que ahora se ha demostrado con éxito.
Los
investigadores consideran que el impacto tecnológico de su desarrollo será
amplio porque el efecto túnel se utiliza, por ejemplo, en el microscopio de
efecto túnel que toma imágenes de superficies a nivel atómico.
También
se utiliza en las memorias flash que se emplean para el almacenamiento y el
traslado de datos, una tecnología que está presente en tarjetas, dispositivos
USB, cámaras digitales, reproductores MP3 y otros elementos tecnológicos.
El
efecto túnel también se utiliza para explicar la descomposición alfa, una
variante de desintegración radiactiva de los núcleos atómicos.
Con
el efecto túnel también se pueden explicar algunas síntesis astroquímicas de
moléculas en las nubes oscuras interestelares, plantean también los
investigadores.
Todo
este universo de posibilidades se potencia con el experimento del equipo de la
Universidad de Innsbruck, que sienta las bases para una mejor comprensión de
muchas reacciones químicas presentes en nuestras vidas y en campos de
investigación tan interesantes como la astrofísica, concluyen los
investigadores.
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