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El efecto túnel cuántico.

El efecto túnel cuántico.

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El efecto túnel cuántico parece magia. Uno se imagina una pelota chocando contra una pared, rebotando unas veces y atravesándola otras. Nada más lejos de la realidad (cuántica). ¿Dónde se encuentra una “pelota cuántica,” a un lado o a otro de la pared? La función de onda (su amplitud al cuadrado) nos da la probabilidad de encontrarla en uno u otro lugar. ¿Cómo evoluciona la función de onda según la ecuación de Schrödinger? Se ensancha (dispersa) conforme se propaga y llega a tener una “anchura” mayor que la propia pared, por lo que de forma natural acabará ignorándose si la pelota “cuántica” está a un lado o a otro. Esto es el efecto túnel cuántico.

La “magia” del efecto túnel cuántico nos provoca muchas preguntas. ¿Cuánto tiempo dura? Es decir, ¿cuánto tiempo pasa la “pelota cuántica” atravesando la pared? No dura nada. Es un proceso instantáneo (no local en lenguaje cuántico). No tiene duración es la respuesta que dará quien cree que entiende la mecánica cuántica, o en palabras de Richard Feynman, quien confiesa que no la entiende (“si crees que la entiendes, es que no la entiendes”). Los resultados experimentales confirman este resultado teórico. Nos lo recuerda Günter Nimtz, “Universal Time Tunneling,” ArXiv preprint, 26 Jan 2009 .

How much time does a tunneling wave packet spent in traversing a barrier? Quantum mechanical calculations result in zero time inside a barrier . For example, the barrier traversal time was found to be zero in a frustrated total internal reflection (FTIR) experiment: Reflected and transmitted signals arrived the detector at the same time in spite of the fact that the transmitted beam traveled an additional distance [independently of such distance].

experimento

Puede parecer paradójico, ya que la teoría de la relatividad, nuestra única teoría física sobre los intervalos de tiempo, no nos permite hablar de intervalos de tiempo nulos. Ningún proceso puede ser instantáneo. Para ello el proceso tendría que ser superlumínico (producirse a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el vacío). ¿Se transmite la “pelota cuántica” a través de la barrera a una velocidad superior a la velocidad de la luz? Los resultados de los experimentos ópticos (con láseres o con microondas) indican que sí (con electrones es muy difícil realizar este tipo de experimentos). Günter Nimtz, “On superluminal tunneling,” Progress in Quantum Electronics 27: 417-450, 2003 .

The principle of causality is not violated by a superluminal speed [in tunneling] even though the time duration between cause and effect can be shortened compared with a luminal interaction exchange.

El efecto túnel es superlumínico pero no permite enviar señales a una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Para que podamos ”medir” la ”pelota cuántica” una vez ha atravesado la barrera (instantáneamente) tenemos que esperar cierto tiempo, que es proporcional al inverso de la energía (frecuencia de la función de onda) de la partícula. La física cuántica es así. No es capaz de “violar” la relatividad. Este tiempo que hay que esperar es independiente del tipo de “pelota” (partícula) y del tipo de “pared” (barrera de potencial) y su anchura. Es un tiempo universal.

física cuántica

Experimental data of photonic, phononic, and electronic tunneling time shows that it is a universal property independent of the field in question.

¿Qué es el tiempo universal asociado al efecto túnel? Nadie lo sabe exactamente. Nimtz, experto en este tipo de experimentos con fotones, supone que es el tiempo necesario para que la onda evanescente (no propagante) que aparece en la pared opuesta “instantáneamente” se transforme en una onda propagante, que ya permite “medir” al fotón (restaurando la causalidad relativista). Este tiempo es proporcional al inverso de la frecuencia del fotón, que es proporcional a su energía. Esta analogía óptica es “razonable” en el caso cuántico si asumimos que la función de onda es “real” (es la oscilación de “algo”). Sin embargo, el realismo de la función de onda es algo muy discutido en Mecánica Cuántica y según la interpretación estándar la función de onda es sólo una herramienta matemática para ayudarnos a entender ciertos resultados experimentales.

La magia del efecto túnel sigue dándonos sorpresas.

La propagación superlumínica de una partícula en el efecto túnel cuántico se denomina efecto Hartman y ha sido objeto de múltiples discusiones. Tendremos que dedicar una futura entrada al mismo.









mecánica cuántica

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6 comentarios - El efecto túnel cuántico.

@CodigoMalicioso
lo vere en un mes en fisica atomica, por lo pronto, sigo taringueando
@rubendmk
Me encanto. Muy buen post amigo. Toma mis +10
@agua77 +1
Este post es axtraordinario.Contiene unos artículos de mucha actualidad y muy bien seleccionados.
Gracias por divulgar la ciencia.