Cada vez que enciendes tu móvil o consultas algo desde un ordenador, estás usando un fenómeno tan desconcertante como fascinante. Se llama efecto túnel cuántico y es una de las piezas clave del mundo atómico. Los electrones, esas partículas diminutas que giran alrededor del núcleo del átomo, a veces hacen cosas que desafían el sentido común: atraviesan barreras que, según las leyes clásicas, deberían ser infranqueables. Y ahora, por primera vez, un grupo de físicos ha logrado mirar dentro de esa barrera mientras el electrón la atraviesa. Lo que han encontrado cambia por completo lo que creíamos saber, algo que también ocurrió con los fotones.
El estudio, publicado en Physical Review Letters, ha sido llevado a cabo por investigadores de POSTECH y del Instituto Max Planck de Física Nuclear. El equipo ha conseguido observar el comportamiento interno de los electrones durante el túnel cuántico, algo que hasta ahora solo se había descrito con modelos teóricos. Lo más sorprendente es que los electrones no se limitan a atravesar la barrera: colisionan con el núcleo atómico desde dentro del propio túnel, una idea que hasta ahora no tenía respaldo experimental.
Qué es el túnel cuántico y por qué es tan importante
El fenómeno del túnel cuántico ocurre cuando una partícula, como un electrón, atraviesa una barrera de energía que no debería poder superar. Es como si alguien lograra pasar a través de una pared sin derribarla ni abrir una puerta. En el mundo macroscópico esto parece imposible, pero en el ámbito cuántico sucede con cierta frecuencia.
Esta propiedad es fundamental en múltiples tecnologías, desde los chips que llevan nuestros teléfonos hasta los reactores de fusión nuclear que imitan el funcionamiento del Sol. También está en la base de procesos como la radiactividad o la microscopia de efecto túnel. A pesar de su importancia, lo que ocurre dentro de la barrera era un territorio inexplorado. Sabíamos cómo entraba y salía el electrón, pero su recorrido en medio era, hasta ahora, un misterio.
El nuevo experimento ha abierto esa puerta cerrada. Los investigadores han logrado no solo deducir lo que pasa dentro, sino medirlo experimentalmente. Esto marca un antes y un después en la comprensión de los procesos cuánticos.
El hallazgo: colisiones dentro del túnel
Para desentrañar este comportamiento oculto, los científicos utilizaron pulsos láser ultracortos e intensos sobre átomos de xenón. La energía del láser inducía el efecto túnel, permitiendo que los electrones escaparan de su estado ligado al núcleo. Gracias a técnicas avanzadas de imagen por mapeo de velocidad (VMI), el equipo pudo registrar el movimiento de los electrones con precisión.
Lo que observaron fue inesperado: los electrones no simplemente salían disparados, sino que rebotaban dentro de la barrera, colisionando con el núcleo antes de escapar. Este fenómeno fue bautizado como “recólisión dentro de la barrera” o under-the-barrier recollision (UBR).
El artículo lo explica de forma literal: "los electrones atraviesan la región prohibida clásicamente, se reflejan en la pared del potencial durante el túnel y ganan energía suficiente para poblar estados excitados”. Ese rebote interno permite al electrón interactuar con el núcleo dentro de la propia barrera cuántica, algo que no se consideraba posible.
Este proceso no solo cambia nuestra visión del efecto túnel, sino que aporta nuevas herramientas para manipular electrones con precisión, abriendo el camino a futuras aplicaciones tecnológicas.
La resonancia de Freeman: un efecto amplificado
Uno de los efectos colaterales más notables del descubrimiento ha sido el fortalecimiento de un fenómeno conocido como resonancia de Freeman. Esta ocurre cuando un electrón en un estado excitado absorbe más energía y termina siendo ionizado, es decir, escapando del átomo.
Gracias a la recólisión interna, los electrones ganan energía adicional dentro de la barrera, lo que les permite alcanzar niveles excitados con mayor facilidad. Esto se traduce en una ionización más intensa que en procesos previamente conocidos, y que, además, se mantiene casi constante incluso cuando se modifica la intensidad del láser.
En palabras del artículo original: “Estas características distintas no pueden ser explicadas por transiciones multiphotónicas directas”. Es decir, los modelos tradicionales ya no bastan para describir lo que realmente ocurre. La recólisión dentro de la barrera ofrece una nueva y más precisa explicación.
Los datos experimentales confirman que los picos de resonancia superan en intensidad a los de la ionización tradicional, incluso en regiones de energía más altas. Este comportamiento sugiere que el mecanismo UBR puede dominar sobre otros procesos conocidos, especialmente en campos intensos.
Qué significa todo esto para la ciencia y la tecnología
Este descubrimiento no es solo una curiosidad cuántica. Tiene implicaciones prácticas profundas. Comprender con más detalle el comportamiento de los electrones dentro del túnel permitirá diseñar tecnologías más eficientes y controladas. Esto incluye desde láseres ultrarrápidos, que permiten observar procesos a escalas de attosegundos, hasta ordenadores cuánticos más estables y precisos.
Además, los resultados cuestionan el marco teórico tradicional. El modelo propuesto por los autores introduce una nueva forma de describir la dinámica cuántica en presencia de campos intensos. Los autores explican: “Este modelo demuestra características distintas, revelando el efecto UBR, en contraste con el caso de transiciones directas multiphotónicas”.
También se abre la puerta a reinterpretar otros fenómenos donde intervienen electrones, como los procesos químicos a nivel atómico, la espectroscopía láser o la física de materiales. En todos estos casos, una mejor comprensión del efecto túnel puede suponer avances significativos.
El equipo no descarta que este tipo de dinámica pueda darse también en moléculas complejas, sólidos o incluso sistemas relativistas, donde la interacción cuántica ocurre a energías aún más extremas.
Una ventana abierta a lo imposible
Aunque el túnel cuántico lleva décadas siendo parte del vocabulario científico, lo que ocurría dentro de él seguía siendo un agujero negro de conocimiento. Este estudio ha iluminado por primera vez ese pasadizo invisible. Lo que han visto no solo rompe con una tradición teórica de más de un siglo, sino que lo hace con evidencia experimental clara, algo poco frecuente en el terreno cuántico.
El avance ha sido posible gracias a la colaboración internacional, el uso de tecnologías de imagen láser de última generación y un modelo teórico que supo predecir lo que nadie antes había imaginado observar.
El propio equipo lo resume así: “Ahora, finalmente podemos entender el túnel con más profundidad y controlarlo a voluntad”. Es difícil exagerar el alcance de esta afirmación.
En ciencia, poder ver algo por primera vez es mucho más que un logro técnico. Es un punto de inflexión. Y esta vez, ese punto está en el corazón de uno de los fenómenos más misteriosos de la física.
Referencias
- Khurelbaatar, T., Klaiber, M., Sukiasyan, S., Hatsagortsyan, K. Z., Keitel, C. H., & Kim, D. E. (2025). Unveiling Under-the-Barrier Electron Dynamics in Strong Field Tunneling. Physical Review Letters, 134(21), 213201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.213201.
