Comprueban experimentalmente que es posible el efecto túnel de fonones a través del vacío

El efecto túnel con fonones a través del vacío es algo que se creía imposible hasta ahora

El efecto túnel tiene uno de los nombres más descriptivos en Física. Según la Mecánica Cuántica, una partícula puede pasar de una región en donde está a una energía dada a otra a través de otra región (la barrera de potencial) en donde el potencial de energía tiene una energía superior al que tiene la propia partícula. Es como si tomara un préstamo de energía durante un corto tiempo, que luego devuelve sin intereses.

El paso de un lado a otro se da con una probabilidad que depende del ancho y altura de la barrera. Esto, desde el punto de vista clásico, es imposible. Es como si un automóvil fuera de un lado a otro de una montaña con menos gasolina de la necesaria para subir esa montaña, de ahí lo de llamarlo efecto “túnel”.

El efecto túnel se ha observado muchas veces. Incluso se han fabricado multitud de microscopios que ven a escala atómica basados en este efecto. La manera más sencilla de observar el efecto es con electrones y campos eléctricos que permiten modificar a voluntad la anchura y altura de la barrera de potencial. Pero también se ha observado con pares de Cooper, asociaciones que producen el efecto túnel superconductor (y que no tiene “pérdidas”).

Ni siquiera hace falta que haya partículas en movimiento para que se dé este efecto. Así por ejemplo, un nanotrozo de material magnético puede invertir su polaridad espontáneamente por efecto túnel, algo que pone límites al tamaño de los bits de nuestros discos magnéticos.

Veamos ahora en qué consisten los fonones. Los fonones son vibraciones de la red cristalina. La materia casi siempre se ordena en forma de cristales, aunque éstos no sean necesariamente transparentes. Como los átomos que forman la red están ordenados es muy fácil para los fonones viajar a través de la red.

Estas vibraciones son las que transmiten el calor en un sólido no metálico. Por eso el diamante (un cristal) conduce el calor mucho mejor que el vidrio (un amorfo). Desde el punto de vista cuántico, se puede considerar que estas vibraciones son partículas o pseudopartículas, cuantos de energía vibracional.

El flujo de calor de un objeto a otro cuando están en contacto depende de estos fonones. Así, si un objeto está más caliente que otro se transfieren fonones del primero al segundo. Si no se tocan, no hay posibilidad de que haya esa transferencia de fonones, y por tanto de calor, sobre todo si no hay aire entre medias. Otra posibilidad es que un objeto por estar por encima del cero absoluto emita radiación electromagnética (fotones) que vaya a otro objeto y que así transfieran calor.

Un termo tiene una separación de vacío para evitar el primer caso y una superficie espejada para reflejar los fotones en el segundo caso. Además está hecho de vidrio que es un amorfo. Por eso el café se conserva caliente durante mucho tiempo.

El caso es que hasta ahora se creía que era imposible que los fonones viajaran de un material a otro a través del vacío. Esa franja en la que falta materia o zona prohibida no permitiría a las vibraciones pasar de un lado a otro, independientemente de la energía que tuvieran. Sería una franja totalmente prohibida, una barrera de altura infinita.

Ahora resulta que no es así, y que los fonones pueden viajar a través de la nada de un lugar a otro por efecto túnel. Al menos así lo parecen indicar los resultados experimentales obtenidos por el grupo de Igor Altfeder en el Air Force Research Laboratory de Ohio.

En su montaje experimental, midieron el flujo de calor entre una punta de platino iridiado de un microscopio de efecto túnel mantenida a temperatura ambiente y una superficie de oro a temperatura más baja. La distancia entre la punta y la superficie era de 0,3 nm y la temperatura del oro se mantuvo a 90, 150 y 210 grados Kelvin.

La energía térmica trasferida a través de la separación excedió la radiación de Planck en 2/v2 = 1010. Esto significaría que el átomo de la punta disiparía el calor 1010 veces más rápido de lo normal, mediante la generación de fonones en el oro y no debido a la emisión de radiación electromagnética (fotones) a través del vacío como antes se creía. Es decir, la transferencia de calor se hacía a través de vibraciones (a través de la nada) y no por radiación.

Para poder medir todo esto los investigadores usaron los electrones que, de la manera habitual, pasan por efecto túnel entre la punta y el substrato. Éstos se ven afectados por las vibraciones térmicas y, cambiando el potencial eléctrico entre la punta y la superficie, se pueden tomar distintas medidas, entre ellas la temperatura de la punta.

Según estos investigadores, el efecto túnel de fonones está controlado por el campo eléctrico entre los dos objetos, ya que se produce una “imagen” eléctrica de la punta sobre la superficie y ambos vibran al unísono. La parte del oro justo debajo de la punta vibra al mismo ritmo que la punta, creándose una imagen del átomo de arriba sobre la superficie y es esta imagen la que va disipando estas vibraciones inducidas (fonones) en el seno del oro (ver imagen).

Este resultado tendría implicaciones para futuros dispositivos a escala pequeña, como en el caso del transporte interfacial, en los dispositivos termoeléctricos, y en el diseño de futuros circuitos moleculares.

Fuente: Neofronteras. Aportado por Eduardo J. Carletti

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