Hay fenómenos que son difíciles de explicar, como la naturaleza de las partículas elementales. Según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, un coche podría atravesar intacto un muro de ladrillos, pero la probabilidad de que eso ocurra es insignificante. Sin embargo, las partículas básicas (el electrón, el protón y el neutrón) tienen una mayor probabilidad de atravesar una barrera debido al efecto del túnel cuántico.
La tunelización es una peculiaridad del universo que hace que parezca que las partículas pueden atravesar obstáculos que normalmente son demasiado difíciles de superar. Los físicos cuánticos estudiaron este efecto varias veces, pero no fue hasta ahora, 15 años después, que pudieron ver finalmente un túnel cuántico en acción. Todo gracias a un experimento mundial que midió por primera vez la fusión de iones de deuterio con moléculas de hidrógeno.
El “efecto túnel” en la química cuántica
Las reacciones de efecto túnel en química no se pueden predecir con los métodos convencionales. Los teóricos usualmente simulan estos fenómenos ignorando por completo los efectos cuánticos. Esto debido a que, ya sea elevando la temperatura o aumentando la presión y comprimiéndolos, la construcción de moléculas generalmente exige un cierto costo de energía. Y esto supone un obstáculo para que los átomos se unan entre sí o con las moléculas existentes.
Sin embargo, la mecánica cuántica plantea que las partículas pueden atravesar la barrera energética y aparecer en los lugares menos insospechados. Así que, para demostrarlo, los investigadores utilizaron una molécula hidrógeno, el elemento más simple del universo, para estudiar el efecto del túnel cuántico.
Introdujeron deuterio, un isótopo de hidrógeno, en una trampa de iones. Luego, lo enfriaron y llenaron la trampa con gas hidrógeno unos 15 minutos.
En teoría, era mucho menos probable que el deuterio tuviera la energía necesaria para obligar a las moléculas de hidrógeno a reorganizar sus átomos sin calor. Pero el frío obligó a las partículas a sentarse en silencio, una cerca de la otra, dándoles más tiempo para unirse.
Resultados del experimento con partículas elementales
Al analizar estas reacciones, los físicos comprendieron varias cosas sobre los túneles cuánticos y el papel que juegan en las reacciones nucleares y químicas.
Para empezar, notaron que este efecto ocurre solo en una de cada cien mil millones de colisiones. Este desenfoque es insignificante para objetos más grandes como gatos y galaxias, pero para las partículas subatómicas individuales es un buen rango de posibilidad.
Además, las ondas cuánticas de las partículas parecen ser las que impulsan la tunelización, desdibujando su existencia. Es por eso que algunas moléculas no aparecen en un lugar preciso, sino que ocupan varias posiciones posibles.
¿Qué quiere decir todo esto? El efecto túnel se utiliza actualmente para explicar los núcleos atómicos. Estos resultados no solo respaldan la existencia de este efecto, sino que muestran cómo se forman las partículas elementales después de una colisión cuántica. Así que, con estos nuevos datos se podrían explicar las reacciones que ocurren en las frías profundidades del espacio o en las nubes oscuras interestelares.
No somos expertos en el tema, por lo que no podemos interpretar estos resultados. Pero sí podemos asegurar que, al comprender la naturaleza de las partículas, podemos descubrir cómo funciona el universo.
Referencias:
Tunnelling measured in a very slow ion–molecule reaction https://doi.org/10.1038/s41586-023-05727-z
