A nivel subatómico, las partículas pueden volar a través de barreras aparentemente intransitables como los fantasmas.
Durante décadas, los físicos se han preguntado cuánto tiempo lleva este llamado túnel cuántico. Ahora, después de una investigación de tres años, un equipo internacional de físicos teóricos tiene una respuesta. Según un nuevo estudio, midieron un electrón de túnel a partir de un átomo de hidrógeno y descubrieron que su paso era prácticamente instantáneo.
Las partículas pueden pasar a través de objetos sólidos no porque sean muy pequeños (aunque lo sean), sino porque las reglas de la física son diferentes a nivel cuántico.
Imagine una pelota rodando por un valle hacia una pendiente tan alta como el Monte Everest; sin un impulso de un jetpack, la pelota nunca tendría suficiente energía para despejar la colina. Pero una partícula subatómica no necesita pasar la colina para llegar al otro lado.
Las partículas también son ondas, que se extienden infinitamente en el espacio. Según la llamada ecuación de onda, esto significa que se puede encontrar una partícula en cualquier posición de la onda.
Ahora imagine la ola golpeando una barrera; continúa a través, pero pierde energía, y su amplitud (la altura del pico) baja mucho. Pero si el obstáculo es lo suficientemente delgado, la amplitud de la onda no disminuye a cero. Mientras todavía quede algo de energía en la onda aplanada, hay alguna posibilidad, aunque pequeña, de que una partícula pueda volar a través de la colina y salir por el otro lado.
La realización de experimentos que capturaron esta esquiva actividad a nivel cuántico fue "muy desafiante", por decir lo menos, el coautor del estudio Robert Sang, físico cuántico experimental y profesor de la Universidad Griffith en Australia, dijo a Live Science en un correo electrónico.
"Es necesario combinar sistemas láser muy complicados, un microscopio de reacción y un sistema de haz atómico de hidrógeno para que funcionen todos al mismo tiempo", dijo Sang.
Su configuración estableció tres puntos de referencia importantes: el comienzo de su interacción con el átomo; el tiempo en que se esperaba que emergiera un electrón liberado de detrás de una barrera; y el momento en que apareció, dijo Sang en un video.
Manteniendo el tiempo con luz
Los investigadores utilizaron un dispositivo de cronometraje óptico llamado attoclock: pulsos de luz polarizados ultracortos capaces de medir los movimientos de los electrones al attosegundo, o una billonésima parte de una billonésima de segundo. Su attoclock bañó los átomos de hidrógeno en la luz a una velocidad de 1000 pulsos por segundo, lo que ionizó los átomos para que sus electrones pudieran escapar a través de la barrera, informaron los investigadores.
Un microscopio de reacción al otro lado de una barrera midió el impulso del electrón cuando emergió. El microscopio de reacción detecta los niveles de energía en una partícula cargada después de que interactúa con el pulso de luz del attoclock, "y de eso podemos inferir el tiempo que tardó en atravesar la barrera", dijo Sang a Live Science.
"La precisión con la que pudimos medir esto fue de 1,8 attosegundos", dijo Sang. "Pudimos concluir que el túnel debe ser inferior a 1,8 attosegundos", casi al instante, agregó.
Aunque el sistema de medición era complejo, el átomo utilizado en los experimentos de los investigadores era simple: hidrógeno atómico, que contiene solo un electrón. Experimentos previos realizados por otros investigadores utilizaron átomos que contenían dos o más electrones, como helio, argón y criptón, según el estudio.
Debido a que los electrones liberados pueden interactuar entre sí, esas interacciones pueden afectar los tiempos de túnel de las partículas. Eso podría explicar por qué las estimaciones de estudios anteriores fueron más largas que en el nuevo estudio, y en decenas de segundos, explicó Sang. La simplicidad de la estructura atómica del hidrógeno permitió a los investigadores calibrar sus experimentos con una precisión que estaba fuera del alcance en intentos anteriores, creando un punto de referencia importante contra el cual ahora se pueden medir otras partículas de túnel, informaron los investigadores.
Los hallazgos fueron publicados en línea el 18 de marzo en la revista Nature.
