Efecto túnel cuántico: cruzar un muro sin pasar por encima
Una pelota lanzada contra una colina la supera o rueda hacia atrás. Una partícula ante una barrera de energía tiene una tercera opción, y la toma con la frecuencia suficiente para que importe: puede sencillamente aparecer al otro lado. Suena a afirmación que convendría mirar con escepticismo, y así sería, salvo porque se mide de forma rutinaria, está diseñada dentro de la electrónica de consumo y es necesaria para que el Sol produzca energía alguna. También, por esas mismas razones, es una de las ideas peor usadas en las afirmaciones sobre energía.
Por qué una partícula no es una pelota
En mecánica cuántica una partícula se describe mediante una función de onda, y el cuadrado de esa función da la probabilidad de encontrarla en un lugar dado. Cuando la función de onda encuentra una barrera no se detiene en seco: decae exponencialmente dentro de ella, y si la barrera es lo bastante fina, sobrevive una amplitud pequeña pero no nula al otro lado.
Esa amplitud superviviente es una probabilidad real de encontrar allí la partícula. Nada en el proceso es gradual ni parcial: la partícula se encuentra a un lado o al otro, y experimentos idénticos repetidos dan respuestas distintas con una proporción fija.
La dependencia exponencial es lo que confina el efecto a escalas pequeñas. Duplicar la anchura de la barrera no reduce a la mitad la probabilidad: eleva al cuadrado un número ya pequeño. Por eso el efecto túnel domina a escala atómica y es del todo despreciable para cualquier cosa visible.
Conviene dejar claro que la partícula nunca tiene más energía de la que tenía al empezar mientras está dentro de la barrera. La pregunta clásica, de dónde sacó la energía para escalar, no se aplica, porque la partícula no escala.
Dónde resulta indispensable
George Gamow lo aplicó al decaimiento alfa en 1928. Una partícula alfa dentro de un núcleo está atrapada por una barrera de la que clásicamente no puede escapar, y sin embargo los núcleos decaen con periodos bien definidos. El efecto túnel explica tanto el escape como el extraordinario rango de periodos, de microsegundos a miles de millones de años, porque la sensibilidad exponencial convierte pequeñas diferencias de altura en enormes diferencias de tasa. Es la base de cómo se entiende el decaimiento radiactivo.
El Sol es el caso más llamativo. Fusionar dos protones exige vencer su repulsión electrostática, y a la temperatura del núcleo solar los núcleos no tienen ni de lejos energía cinética suficiente. Clásicamente el Sol no ardería. Arde porque una pequeña fracción de las colisiones atraviesa la barrera por efecto túnel, y esa fracción basta.
En tecnología, el microscopio de efecto túnel obtiene imágenes de átomos individuales midiendo una corriente túnel a través de un hueco de pocos diámetros atómicos, aprovechando la dependencia exponencial con la distancia como una regla extraordinariamente sensible. Sus inventores recibieron el Nobel de 1986.
La memoria flash escribe y borra haciendo que los electrones atraviesen por túnel una capa aislante, y por eso la tecnología existe y también por eso las celdas se desgastan: cada suceso de túnel daña ligeramente el aislante. Los diodos túnel y las uniones superconductoras son más ejemplos.
Lo que el efecto túnel no hace
Esta parte merece decirse con cuidado, porque el efecto túnel se invoca con regularidad en apoyo de afirmaciones que no sostiene.
El efecto túnel no crea energía. Una partícula que atraviesa una barrera llega exactamente con la energía que tenía antes, y la barrera queda inalterada. Nadie gana nada neto, y el proceso conserva la energía de forma exacta, no aproximada.
Tampoco permite extraer energía de una barrera ni del vacío. A veces se cita el principio de incertidumbre como si permitiera un préstamo temporal de energía, lo que es una forma laxa de hablar de una relación matemática entre precisiones de medida. No es un mecanismo para retirar energía utilizable, y ningún experimento ha producido nunca energía neta por esa vía.
Lo que el efecto túnel hace es cambiar tasas de reacción. Hace posibles procesos a temperaturas y energías donde la física clásica los prohíbe, lo cual es enormemente importante -el Sol, la radiactividad, la química, los semiconductores-, pero siempre actúa sobre energía ya presente. Nuestra página sobre energía libre expone la forma general de esta distinción, y el efecto túnel es uno de los casos concretos en que más a menudo se difumina.
Para la investigación neutrinovoltaica la relevancia es limitada y concreta: el efecto túnel forma parte de cómo se mueve la carga a través de interfaces de materiales diseñados, como en cualquier dispositivo semiconductor. En ese contexto no es una fuente de energía y no debe describirse como tal.
Preguntas frecuentes
¿Cómo puede una partícula atravesar una barrera que no puede escalar?
Su función de onda decae exponencialmente dentro de la barrera en lugar de detenerse, así que sobrevive una pequeña amplitud al otro lado. Esa amplitud es una probabilidad real de encontrar allí la partícula, que nunca tiene más energía de la inicial.
¿Por qué no le ocurre a los objetos cotidianos?
Porque la probabilidad cae exponencialmente con la anchura de la barrera y con la masa. Para cualquier cosa mayor que la escala atómica el número se vuelve tan pequeño que no ocurriría en la edad del universo.
¿Qué tiene que ver el Sol con esto?
A la temperatura del núcleo solar, los protones no tienen energía suficiente para vencer su repulsión mutua y fusionarse. Una pequeña fracción atraviesa la barrera por efecto túnel, y esa fracción es lo que hace brillar al Sol.
¿Se usa el efecto túnel en tecnología real?
Sí, de forma rutinaria. Los microscopios de efecto túnel obtienen imágenes de átomos individuales con él, la memoria flash escribe y borra con él, y los diodos túnel y las uniones superconductoras dependen de él.
¿Puede usarse para extraer energía?
No. Una partícula que atraviesa llega exactamente con la energía que tenía antes y la barrera queda inalterada. El efecto túnel altera tasas de reacción; no crea energía ni permite extraerla de una barrera o del vacío.
