Dinámica electrónica en el túnel cuántico: primeras observaciones experimentales de colisiones subatómicas bajo el umbral energético
Ilustración generada con Inteligencia Artificial ( ChatGPT )
Un reciente estudio publicado en Physical Review Letters marca un hito en la física cuántica contemporánea al revelar, por primera vez, el comportamiento interno de un electrón durante el fenómeno del efecto túnel. Mediante una combinación de pulsos láser ultrarrápidos y técnicas avanzadas de mapeo de velocidad, investigadores de POSTECH (Corea del Sur) y el Instituto Max Planck de Física Nuclear (Alemania) han logrado detectar colisiones internas entre electrones y núcleos atómicos dentro de la región de potencial considerada clásicamente prohibida. Este fenómeno, denominado recólisión dentro de la barrera (Under-the-Barrier Recollision, UBR), desafía modelos previos y abre nuevas posibilidades teóricas y tecnológicas.
La paradoja del efecto túnel cuántico
En la física clásica, una partícula no puede superar una barrera de potencial si no posee la energía suficiente. No obstante, en el dominio cuántico, partículas como los electrones pueden “túnelar” a través de dicha barrera sin necesidad de romperla o escalarla. Este fenómeno, conocido como efecto túnel cuántico, constituye una de las propiedades más sorprendentes de la mecánica cuántica.
Desde el punto de vista tecnológico, este efecto es fundamental para el funcionamiento de dispositivos como los transistores, los diodos túnel, los relojes atómicos, e incluso técnicas de microscopía electrónica de resolución atómica. Sin embargo, hasta el presente, la región interna de la barrera —el “interior del túnel”— se mantenía inaccesible a la observación directa. El electrón emergía en el otro lado, pero su comportamiento durante el tránsito seguía siendo una incógnita.
Metodología experimental: hacia la observación del invisible
El experimento se ha basado en el uso de pulsos láser ultracortos aplicados sobre átomos de xenón. La irradiación genera un campo electromagnético lo suficientemente intenso como para inducir el efecto túnel, permitiendo que los electrones escapen de su estado ligado.
Para registrar el proceso, se utilizó una técnica de imagen por mapeo de velocidad (Velocity Map Imaging, VMI), capaz de reconstruir trayectorias electrónicas con resolución angular y energética. Esta metodología ha permitido capturar detalles finos del movimiento de los electrones, más allá de lo que era posible mediante aproximaciones semiclasicas o técnicas indirectas.
Hallazgos: recólisión bajo la barrera y estados excitados
El resultado más destacado del estudio es la observación directa de colisiones entre los electrones y el núcleo atómico dentro de la barrera de potencial. En lugar de un paso suave o instantáneo, el electrón presenta un rebote interno, interactuando con el núcleo antes de emerger.
Este fenómeno ha sido denominado Under-the-Barrier Recollision (UBR) y constituye un mecanismo desconocido hasta ahora, no previsto por los modelos de túnel de Keldysh-Faisal-Reiss ni por las teorías de transiciones multiphotónicas directas.
La recólisión confiere al electrón energía adicional, permitiéndole alcanzar estados excitados dentro del túnel y facilitar su ionización posterior. Esta dinámica introduce una nueva dimensión en la comprensión del efecto túnel, sugiriendo que el interior de la barrera no es un mero “vacío” cuántico, sino un espacio de interacción compleja.
Repercusiones en la teoría cuántica
El descubrimiento del UBR obliga a revisar el marco teórico tradicional. En particular:
Los modelos basados exclusivamente en transiciones multiphotónicas no pueden explicar la intensidad y estabilidad de los picos de ionización observados.
El electrón no se comporta como una onda que atraviesa sin interacción, sino como una entidad dinámica capaz de retroalimentarse energéticamente dentro del túnel.
La aparición de resonancias más intensas, incluso a energías elevadas, evidencia un acoplamiento más eficiente entre el campo láser y el electrón, facilitado por la recólisión interna.
Este comportamiento, anteriormente inferido sólo de forma teórica o mediante simulaciones, adquiere ahora una base empírica sólida.
Aplicaciones tecnológicas emergentes
El control sobre el fenómeno de recólisión en el interior del túnel abre la posibilidad de desarrollar nuevas tecnologías con precisión sin precedentes. Algunas de las proyecciones inmediatas incluyen:
Computación cuántica ultrarrápida, mediante el control de electrones a escalas de attosegundos.
Espectroscopía cuántica avanzada, con mejor resolución temporal y energética.
Nanofotónica y generación de armónicos de orden alto, utilizando electrones recólesionados como emisores coherentes.
Diseño de fuentes de luz ultravioleta extrema (EUV) mediante manipulación controlada del túnel cuántico.
Además, los efectos de UBR podrían tener aplicaciones en el desarrollo de sensores atómicos, microscopía de alta precisión y manipulación óptica de materiales sensibles.
Expansión del fenómeno: de átomos a sistemas complejos
Los autores del estudio proponen que el fenómeno UBR podría no limitarse a átomos simples como el xenón. Es plausible su aparición en:
Moléculas complejas, donde los electrones están distribuidos en orbitales extendidos.
Cristales y sólidos, en los que el túnel ocurre entre bandas de energía.
Sistemas relativistas, donde la interacción con campos electromagnéticos extremos modifica la masa efectiva de las partículas.
Si se confirma su existencia en estos sistemas, el efecto UBR podría constituir la base de una nueva física del estado sólido y la óptica cuántica de alta intensidad.
Una nueva anatomía del túnel cuántico
La observación experimental de colisiones electrónicas dentro del túnel cuántico representa una ruptura epistemológica respecto a los paradigmas anteriores. Lo que hasta ahora era considerado un fenómeno pasivo y no interactivo, se revela como un proceso dinámico, complejo y energéticamente activo.
Este hallazgo, comparable en impacto a la primera imagen de un agujero negro o al descubrimiento de la interferencia de partículas individuales, marca el inicio de una nueva era en la física cuántica experimental. El efecto UBR no solo redefine el comportamiento de los electrones, sino que ofrece una herramienta inédita para manipular la materia a escala subatómica, abriendo un espacio inexplorado en el control cuántico.
Referencia científica ⬇️
S. Kim et al. (2025). Subcycle Under-the-Barrier Recollision in Strong-Field Ionization. Physical Review Letters, 134, 213201.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.213201