6.6 Túnel cuántico

Inicio ／ Capítulo 6: Dominio cuántico (V5.05)

I. Fenómenos observables y desafíos intuitivos para la teoría contemporánea

En el laboratorio, a veces parece que una partícula “atraviesa un muro”:

• Desintegración alfa: ciertos núcleos emiten espontáneamente una partícula alfa (α). Según la intuición clásica, la barrera nuclear sería demasiado alta para la energía disponible, y aun así se observan escapes.
• Microscopio de efecto túnel (STM): entre una punta metálica muy aguda y la muestra queda un hueco al vacío de escala nanométrica. El corriente decrece casi exponencialmente cuando aumenta la separación, pero no cae a cero.
• Efecto Josephson: dos superconductores separados por un aislante ultrafino pueden sostener una corriente continua a voltaje nulo; con un leve voltaje directo aparece una señal alterna a la frecuencia de Josephson.
• Diodo de resonancia y estructuras de doble barrera: la curva corriente–voltaje muestra resistencia diferencial negativa y picos estrechos, lo que indica ventanas de energía con paso inusualmente fácil.
• Emisión por campo (emisión fría): un campo intenso adelgaza y rebaja la barrera de superficie, de modo que los electrones escapan al vacío.
• Analogía óptica: en la reflexión total frustrada (FTIR), dos prismas muy próximos permiten un acoplamiento evanescente a través de la región “prohibida”.

Estos hechos plantean varias preguntas intuitivas:

• Si no hay suficiente energía, ¿cómo se atraviesa? Si se imagina la barrera como un muro liso, rígido y estático, la intuición no alcanza.
• ¿Por qué la sensibilidad a espesor y altura es casi exponencial? Un aumento pequeño reduce drásticamente la probabilidad de paso.
• ¿Cuál es el “tiempo de túnel”? ¿Implica “superluminalidad”? Algunas mediciones de fase o de retardo de grupo se saturan con el espesor (efecto Hartman) y pueden malinterpretarse.
• ¿Por qué las capas añadidas habilitan “vías rápidas resonantes”? A energías específicas, ciertas pilas de barreras facilitan el tránsito.

II. Lectura desde la Teoría de los Hilos de Energía (EFT): la barrera no es rígida, es una banda de tensión que “respira”

(Coherente con la Sección 4.7 sobre los “poros” de agujeros negros: una frontera de alta tensión no es un sello hermético permanente.)

1. Cómo es realmente la barrera: dinámica, granular, en forma de banda
   En la Teoría de los Hilos de Energía (EFT), la “barrera” no es una cara geométrica perfecta ni un sólido rígido. Es una banda donde la tensión (Tension) y la impedancia aumentan, remodelada sin cesar por microprocesos:
   • intercambio entre hilos de energía (Energy Threads) y mar de energía (Energy Sea),
   • microreconexiones efímeras que reescriben y luego cierran la conectividad,
   • golpes continuos de excitaciones inestables en el borde,
   • fluctuaciones locales del gradiente de tensión (Tension Gradient) provocadas por campos externos e impurezas.
     A escala microscópica, la banda “respira” como un panal vivo: casi siempre de alta impedancia, pero con micro-poros de baja impedancia que se abren de manera esporádica y breve.
2. Poros momentáneos: los canales efectivos del túnel
   El paso ocurre cuando la partícula llega y, en su dirección de avance, una cadena de micro-poros se abre con profundidad suficiente y buena conectividad. Parámetros clave:
   • tasa de apertura: probabilidad por unidad de superficie y tiempo,
   • vida media del poro: cuánto dura cada apertura,
   • anchura angular: selectividad direccional del canal,
   • conectividad en profundidad: si las aperturas se alinean a lo largo de todo el espesor (cuanto más gruesa la banda, más exigente el alineamiento).
     Cuando estos factores coinciden, la partícula recorre un corredor de baja impedancia. La mayoría de los intentos fallan; una fracción pequeña prospera.

Analogía: un gran portón de lamas que se mueven con rapidez. Casi siempre está cerrado, pero en cierto instante y a lo largo de una línea estrecha las lamas se alinean y forman un paso. No se “atraviesa un muro macizo”; se aprovecha el instante en que la rendija se alinea.

3. Por qué surge la sensibilidad casi exponencial

• Mayor espesor: para atravesar hace falta un alineamiento en serie de poros a lo largo de la profundidad. Cada capa extra multiplica la condición de coincidencia → caída aproximadamente exponencial de la probabilidad de éxito.
• Mayor altura (tensión más alta): los poros se vuelven más raros, más breves y más estrechos en ángulo → menor tasa efectiva de apertura y, en consecuencia, una barrera “más alta”.

4. Resonancia: un “guía de onda” transitorio que convierte poros en autopista
   Las estructuras multicapa pueden albergar una cavidad con fase ajustada, equivalente a un guía de onda transitorio dentro de la banda:
   • la partícula primero queda alojada brevemente en la cavidad,
   • espera a que el siguiente tramo de poros se abra en la dirección correcta,
   • la conectividad global se amplifica dentro de una ventana de energía estrecha.
     Así emergen los picos agudos en dispositivos de resonancia; del mismo modo, el enganche de fase entre superconductores estabiliza la conectividad y sostiene el efecto Josephson.
5. Tiempo de túnel: distinguir entre “esperar la apertura” y “cruzar el corredor”

• Tiempo de espera: demora en el lado de entrada mientras aparece una cadena de poros bien alineada; domina el retardo estadístico.
• Tiempo de tránsito: una vez alineado, el cruce avanza a la velocidad máxima permitida por la tensión local y suele ser breve.
  Cuando aumenta el espesor, crece la espera mientras que el tránsito no escala linealmente; por ello muchas mediciones registran retardos de grupo saturados. No hay movimiento superluminal; es la combinación de cola larga y cruce rápido.

6. Balance de energía: nada “gratis”
   Tras el cruce, la energía refleja el presupuesto inicial, el posible retorno de tensión a lo largo del corredor y pequeños intercambios con el entorno. El aparente “paso con energía insuficiente” no es magia: la barrera no es un frente rígido; sus micro-aperturas permiten eventos raros por un camino de baja impedancia sin escalar un pico estático.

III. Dispositivos y escenarios experimentales

• Desintegración alfa: un clúster alfa golpea repetidamente la frontera nuclear. La fuga sucede cuando una cadena transprofunda de poros se alinea por un instante. Bandas nucleares altas y gruesas hacen que la semivida sea extremadamente sensible a la estructura.
• Corriente en STM: el hueco al vacío constituye una banda delgada. La corriente sigue la tasa global de aparición de cadenas de conectividad críticas. Cada ångström añadido equivale a sumar un tramo de lamas, de ahí la caída cuasi exponencial.
• Efecto Josephson: el enganche de fase a ambos lados estabiliza una cavidad-guía y eleva el caudal estacionario incluso a voltaje nulo. Con un pequeño voltaje directo, la fase relativa deriva, generando una señal alterna.
• Emisión por campo: un campo fuerte adelgaza y rebaja la banda superficial, lo que aumenta la tasa de apertura y la conectividad; los electrones “salen” hacia el vacío.
• Reflexión total frustrada: el intersticio nanométrico entre prismas ofrece asideros de campo cercano, equivalentes a conectividad de corto alcance en la ranura; la luz cruza la región nominalmente prohibida a través de un corredor transitorio.

IV. Síntesis en cuatro líneas

• El túnel no es atravesar un muro perfecto: es encadenar poro tras poro dentro de una banda de tensión que respira.
• La sensibilidad exponencial a espesor/altura surge de probabilidades multiplicativas en alineamientos en serie; la resonancia crea un guía de onda transitorio que amplifica la conectividad en una ventana estrecha.
• El tiempo de túnel se divide en espera y cruce: los retardos saturados reflejan la espera, sin vulnerar los límites locales de propagación.
• La energía se conserva: los pasos “a baja energía” existen porque el “muro” se abre por breves instantes, no porque se rompa.

Una línea final: El “muro” respira; el túnel cuántico consiste en atrapar el momento en que se abre.