Un experimento consigue, por primera vez, diluir la nebulosa frontera entre la Química y la Mecánica cuántica

Por eso, los teóricos se ven obligados a simular este tipo de reacciones recurriendo sólo a la física clásica, ignorando por completo los efectos cuánticos. Conseguir experimentos capaces de combinar ambos mundos supondría un avance descomunal en una multitud de campos, desde la ingeniería a la astrofísica. ¿Pero dónde está exactamente el límite entre estas dos realidades?

Ahora, un equipo de investigadores encabezado por el físico Roland Wester, de la Universidad de Innsbruck, acaba de conseguir lo que parecía imposible. En palabras del propio Wester, explorar esta escurridiza frontera «requiere de un experimento que permita mediciones lo suficientemente precisas para que aún pueda ser descrito mecánicamente, pero también con la física cuántica. La idea se me ocurrió hace 15 años en una conversación con un colega durante una conferencia en los Estados Unidos. Quería era rastrear el efecto túnel mecánico-cuántico en una reacción muy simple«.

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Wester se puso entonces manos a la obra y, debido a que el efecto túnel hace que la reacción sea muy poco probable su observación experimental resultó extraordinariamente difícil. A pesar de ello, y tras varios intentos fallidos, Wester y su equipo acaban de conseguir su objetivo por primera vez. El trabajo se acaba de publicar en 'Nature'.

Para su novedoso experimento, los investigadores eligieron hidrógeno, el elemento más simple del Universo. Así, introdujeron deuterio (un isótopo del hidrógeno) en una trampa de iones, lo enfriaron y llenaron después la trampa con hidrógeno. Debido a la baja temperatura, los iones de deuterio no tenían la suficiente energía para reaccionar con las moléculas de hidrógeno de la forma clásica. Pero en muy contadas ocasiones, sin embargo, esa reacción se produjo igualmente. Esas raras reacciones son, precisamente, las que fueron causadas por el efecto túnel.

«La mecánica cuántica -explica Robert Wild, primer firmante del estudio- permite que las partículas atraviesen la barrera energética debido a sus propiedades ondulatorias cuánticas, y se produzca una reacción. En nuestro experimento, dimos a las posibles reacciones en la trampa unos 15 minutos y luego determinamos la cantidad de iones de hidrógeno formados. A partir de su número, pudimos deducir con qué frecuencia ocurrió una reacción».

Ya en 2018, los físicos teóricos calcularon que en un sistema como este, el túnel cuántico ocurriría solo en una de cada cien mil millones de colisiones. Algo que prácticamente coincide con los resultados de este estudio. Tras 15 largos años de investigación, el experimento confirma por primera vez un modelo teórico preciso para el efecto túnel en una reacción química.

Por supuesto, existen otros tipos de reacciones químicas que también podrían beneficiarse del efecto túnel. A partir de este momento, y gracias a esta primera medición experimental, los investigadores podrán desarrollar en el futuro modelos teóricos más simples para las reacciones químicas, y ponerlos a prueba en la reacción que ahora se ha demostrado con éxito.

El efecto túnel, en efecto, se utiliza en campos tan distintos como la microscopía electrónica o el desarrollo de memorias flash más eficientes. Y también se usa para explicar la descomposición alfa de los núcleos atómicos. Gracias a este efecto también es posible explicar algunas clases de síntesis de moléculas en el espacio profundo, en el interior de oscuras nubes interestelares. En definitiva, el experimento de Wester y su equipo ha sentado las bases para comprender mejor un gran número de reacciones químicas.