Cuando se trata de cosas a escala cuántica, donde las cosas son muy pequeñas, el mundo es bastante confuso y extraño en comparación con nuestras experiencias cotidianas.

Por ejemplo, normalmente no podemos caminar a través de paredes sólidas. Pero a escala cuántica, cuando una partícula se encuentra con una barrera aparentemente insuperable, a veces puede pasar al otro lado, un proceso conocido como túnel cuántico.

Pero la rapidez con la que una partícula podía atravesar una barrera era siempre un enigma.

En un trabajo publicado hoy en Nature hemos resuelto parte del problema.

¿Por qué es tan importante? Es un gran avance que podría tener un impacto en las tecnologías futuras que vemos en nuestros hogares, en el trabajo o en otro lugar.

Muchas de las tecnologías actuales, como los semiconductores, la pantalla LED de su teléfono inteligente, o láseres, se basan en nuestra comprensión de cómo funcionan las cosas en el mundo cuántico.

Entonces, cuanto más podamos aprender, cuanto más podamos desarrollar.

De vuelta a los túneles

Para partículas cuánticas, como los electrones, cuando decimos que pueden atravesar barreras, no nos referimos a obstáculos físicos, pero barreras de energía.

La tunelización es posible debido a la naturaleza ondulatoria del electrón. La mecánica cuántica asigna la naturaleza ondulatoria a cada partícula, y por lo tanto siempre hay una probabilidad finita de que la onda se propague a través de barreras, al igual que el sonido viaja a través de las paredes.

Puede sonar contradictorio, pero esto es lo que se explota en tecnologías como microscopios de túnel de barrido, que permiten a los científicos crear imágenes con resolución atómica. Esto también se observa naturalmente en la fusión nuclear, y en procesos biológicos como la fotosíntesis.

Aunque el fenómeno de los túneles cuánticos está bien estudiado y utilizado, los físicos todavía carecían de una comprensión completa de la misma, especialmente en lo que respecta a su dinámica.

Si pudiéramos explotar la dinámica de los túneles, por ejemplo, Úselo para transportar más información; posiblemente podría darnos un nuevo manejo de las tecnologías cuánticas futuras.

Una prueba de velocidad de túnel

El primer paso hacia este objetivo es medir la velocidad del proceso de tunelización. Esta no es una hazaña simple ya que las escalas de tiempo involucradas en la medición son extremadamente pequeñas.

Para barreras de energía del tamaño de unas mil millonésimas de metro, como en nuestro experimento, algunos físicos habían calculado que el proceso de tunelización tomaría alrededor de cien attosegundos (1 attosegundo es una mil millonésima de mil millonésima de segundo).

Para poner las cosas en perspectiva si un attosegundo se alarga a un segundo, entonces un segundo es igual a la edad del universo.

Los tiempos estimados son tan extremadamente pequeños que anteriormente se trataban como prácticamente instantáneos. Por lo tanto, para nuestro experimento necesitábamos un reloj que pudiera cronometrar estos eventos con enorme exactitud y precisión.

Los avances tecnológicos en los sistemas láser ultrarrápidos nos permitieron implementar un reloj de este tipo en la instalación científica australiana de attosegundos, Centro de Dinámica Cuántica, en la Universidad de Griffith.

El reloj del experimento no es mecánico ni eléctrico, sino que es el vector de campo eléctrico giratorio de un pulso láser ultrarrápido.

La luz es simplemente radiación electromagnética hecha de campos eléctricos y magnéticos que varían rápidamente. Usamos este campo que cambia rápidamente para inducir la formación de túneles en el hidrógeno atómico y también como un cronómetro para medir cuándo termina.

¿Qué rápido?

La elección de usar hidrógeno atómico (que es simplemente un par unido de un electrón y un protón) evita las complicaciones que surgen de otros átomos, facilitando la comparación e interpretación de los resultados sin ambigüedades.

Se encontró que el tiempo de tunelización que medimos no era más de 1.8 attosegundos, mucho más pequeño de lo que habían predicho algunas teorías. Esta medición requiere una reconsideración seria de nuestra comprensión de la dinámica de los túneles.

Varias teorías estimaron un rango de tiempos de tunelización, de cero a cientos de attosegundos, y no hubo consenso entre los físicos sobre qué estimación teórica única era correcta.

Una razón básica de los desacuerdos radica en el concepto mismo de tiempo en la mecánica cuántica. Debido a las incertidumbres cuánticas, No puede haber certeza absoluta en el momento en que una partícula entra o sale de la barrera.

Pero experimentos como el nuestro utilizando medidas precisas en sistemas simples, podría guiarnos para perfeccionar nuestra comprensión de esos tiempos

Las próximas tecnologías

Los saltos cuánticos en el mundo tecnológico a menudo tienen sus raíces en la búsqueda de la ciencia fundamental.

Las futuras tecnologías cuánticas que incorporen muchas de las características cuánticas, como la superposición y el entrelazamiento, conducirán a lo que los tecnólogos llaman la "segunda revolución cuántica".

Al comprender completamente la dinámica cuántica del evento de túnel atómico más simple posible, con un solo protón y un solo electrón, hemos demostrado que se puede confiar en ciertos tipos de teorías para dar la respuesta correcta, donde fallan otros tipos de teorías.

Esto nos da confianza sobre qué teorías aplicar a otros, sistemas más complicados.

Las mediciones en la escala de attosegundos no solo agregan una dimensión adicional para las futuras tecnologías cuánticas, sino que también pueden ayudar fundamentalmente a comprender el elefante de la sala cuántica:lo que es tiempo ?

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.