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La máquina de vapor del siglo XVIII ha servido para avanzar en la física cuántica

El Confidencial El Confidencial 11/11/2016 R. P.

Pruebe a encender su equipo de música y a subir el volumen todo lo posible. Escuchará un ruido de fondo, una especie de siseo. La mayor parte proviene del movimiento provocado por el calor de los electrones dentro del circuito del aparato. Igual que las moléculas de un gas caliente, los electrones de un circuito están continuamente pululando de un lado a otro siguiendo recorridos aleatorios, y es ese movimiento lo que causa ese ruido.

Hay otro tipo de ruido que solo aparece cuando entra en escena una corriente eléctrica en movimiento, conocido como ruido de disparo. Aparece por tanto en componentes electrónicos, como los diodos y algunos transistores, y los ingenieros electrónicos tratan por todos los medios de hacerlo desaparecer, o al menos reducirlo, de estos aparatos.

Un nuevo estudio, publicado en la revista 'Nature Nanotechnology' y recogido por 'The Conversation', ha demostrado que es posible eliminar este ruido en su mismo origen, y sus autores, investigadores del Insituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Leibniz, en Hannover, lo han hecho inspirándose en una tecnología inesperada: la máquina de vapor que inventó James Watt en el siglo XVIII.

El efecto túnel

El ruido de disparo tiene su origen en el hecho de que una corriente eléctrica está compuesta por un chorro de partículas individuales, llamadas electrones, y que su comportamiento está regido por las a veces extrañas leyes de la física cuántica. 

Representación simplificada del efecto túnel cuántico © Proporcionado por El Confidencial Representación simplificada del efecto túnel cuántico

Cuando un electrón se topa con un obstáculo que en teoría bloquea su camino, las reglas de la física cuántica dicen que puede atravesarlo sin inmutarse. Este fenómeno se llama efecto túnel, y hace que sea posible lo que parece imposible, pero no siempre: se trata de un proceso aleatorio. Podemos determinar la probabilidad que hay de que un electrón lo efectúe, pero no si un electrón determinado lo hará o no. 

Esto quiere decir que si una corriente de electrones choca con un obstáculo, unos lo atravesarán y otros no, de forma totalmente aleatoria. Si pudiésemos 'escuchar' ese momento, el sonido se parecería al repiqueteo irregular de la lluvia sobre un tejado de plástico. Esa aleatoriedad, en comparación con el orden y ritmo fijo del goteo de un grifo, es lo que produce el ruido de disparo. 

La solución de James Watt

En el siglo XVIII, James Watt trataba de encontrar el modo de que su máquina de vapor se moviese a una velocidad constante. Para conseguirlo, se le ocurrió en 1788 la idea del regulador centrífugo, un artilugio consistente en dos bolas metálicas rotando en un eje vertical impulsado por el motor de vapor. Si el motor de movía demasiado rápido, las dos bolas ascenderían a causa de la fuerza centrífuga (que actúa sobre un cuerpo en rotación alejándolo del centro al rededor del que gira).

Ese movimiento iba asociado a una válvula que en ese caso reducía el flujo de vapor a través del motor, reduciendo así su velocidad, y al revés: si el motor iba demasiado despacio, las bolas caían, la válvula se abría y el motor aceleraría. Así, Watt pudo estabilizar el rendimiento de su motor con una velocidad constante.

Controlando el efecto túnel

El nuevo experimento está centrado en un dispositivo electrónico diminuto, conocido como transistor de un solo electrón, que un día podría ser la base de una electrónica diminuta y extremadamente eficiente. Estos transistores de un solo electrón son en cierto modo como los transistores normales, que pasan de una señal electrónica a otra, pero llevados al extremo de la miniaturización, de forma que los electrones se mueven por ellos de uno en uno, momento en el que entra en escena el efecto túnel y con ello, el ruido de disparo ya mencionado.

James Watt y su máquina de vapor © Proporcionado por El Confidencial James Watt y su máquina de vapor

Utilizando mediciones muy sensibles de la carga electrónica, los investigadores fueron capaces de detectar con exactitud cuándo un electrón había pasado a través del transistor y cuándo no. Basándose en la cuenta de los electrones, ajustaron los voltajes del transistor, siguiendo la receta de Watts para el regulador centrífugo: si más electrones de lo normal atravesaban el transistor, cambiaban el voltaje para reducir la corriente, y si lo hacían menos, para aumentarla.

Así, demostraron que, pasado cierto tiempo, el número total de electrones que pasan a través de un dispositivo se puede controlar con precisión, de forma que los resultados se libran casi por completo de la aletoriedad del ruidoso efecto túnel.

Por el momento, el experimento se ha llevado a cabo en un solo dispositivo y a bajas temperaturas, así que todavía falta un largo camino para que llegue hasta nuestros equipos, pero es un paso importante en el desarrollo de la tecnología cuántica, que busca entender y 'domar' las rarezas de la física cuántica para desarrollar dispositivos que se espera que mejoren, y mucho, los que hoy utilizamos. 

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