18/10/2025
Premio Nobel: Tunelización cuántica a gran escala
El Premio Nobel de Física 2025 reconoce el descubrimiento del efecto túnel cuántico macroscópico en circuitos eléctricos.
Las partículas cuánticas pueden atravesar barreras (ahora llamadas uniones Josephson), un comportamiento denominado 'efecto túnel'. Pero los objetos grandes, compuestos por miles de millones de partículas, también pueden presentar este comportamiento, como lo demostraron los ganadores del Premio Nobel de Física de este año. Utilizando un circuito superconductor, demostraron que los 'electrones superconductores', actuando como una unidad colectiva, pueden atravesar una barrera de energía entre dos estados cuánticos, mediante un efecto túnel. Este trabajo abrió el campo de los circuitos superconductores, sentando las bases para los avances posteriores en la computación cuántica.
Trabajos anteriores sobre el efecto túnel cuántico, consideraron el comportamiento de una partícula cuántica en una barrera. El modelo básico asume que la función de onda cuántica de la partícula penetra la barrera, pero con una amplitud suprimida exponencialmente. Como resultado, la partícula tiene una pequeña probabilidad de aparecer en el lado opuesto de la barrera.
La teoría cuántica no limita el efecto túnel a las partículas más pequeñas. Un objeto grande está compuesto de muchas partículas cuya función de onda colectiva puede, en principio, penetrar una barrera. Sin embargo, el desafío radica en que las perturbaciones ambientales pueden alterar fácilmente la función de onda colectiva, y anular la posibilidad de efecto túnel. A principios de la década de 1980, se sugirió que los circuitos superconductores podrían ser lo suficientemente silenciosos ambientalmente, como para permitir el efecto túnel macroscópico. Varios experimentos buscaron este efecto, pero la evidencia fue ambigua debido al ruido en los circuitos.
Los galardonados Clarke, Devoret y Martinis, diseñaron un experimento que solucionó el problema del ruido. Su sistema consistía en un circuito superconductor de un centímetro de ancho, que contenía una 'unión Josephson'. Los electrones superconductores del circuito forman un sistema colectivo, esencialmente un objeto macroscópico, descrito por una única fase cuántica. Modelos desarrollados previamente mostraban que este objeto multielectrónico puede existir en uno de dos estados, correspondientes a voltaje cero y voltaje distinto de cero, a través de la unión. Estos dos estados están separados por una barrera de energía, que se puede imaginar como una colina empinada entre dos valles.
A diferencia de experimentos anteriores, el equipo utilizó microondas para controlar y medir los parámetros del circuito. «Las microondas aportaron una dimensión adicional, absolutamente crucial para determinar qué estaba sucediendo, y revelar el comportamiento mecanocuántico».
Los investigadores iniciaron el circuito en estado de voltaje cero, atrapando eficazmente el objeto multielectrónico a un lado de la barrera de energía. Sin embargo, el objeto aún podía "escapar" (observable como un cambio repentino en el voltaje), gracias a fluctuaciones térmicas que le proporcionaban la energía suficiente para superar la barrera. Descubrieron que, como se esperaba, la tasa de escape disminuía al enfriar el sistema. Sin embargo, por debajo de 50 mK, la tasa de escape dejó de disminuir con la temperatura y, en cambio, se mantuvo constante, lo que evidencia que el objeto estaba atravesando la barrera sin necesidad de fluctuaciones térmicas.
Utilizando la entrada de microondas, los investigadores también pudieron excitar los electrones superconductores, en su "valle" de voltaje cero, y observar el resultado en el efecto túnel. Descubrieron que, al igual que un átomo tiene niveles de energía cuantizados, el objeto multielectrónico tiene una escala discreta de estados de energía superiores. "Demostramos que se puede construir y personalizar una especie de átomo artificial".
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