FÍSICA Estados de la materia El Nobel Störmer y las sorpresas cuánticas

En 1982, los físicos Horst L. Störmer y Daniel C. Tsui investigaban qué les pasa a los electrones cuando se les somete a determinadas condiciones extremas. Su propósito era dar con la respuesta a un problema teórico, pero sin querer se toparon con otro: encontraron un nuevo estado de la materia que nadie había predicho, y que de hecho se tardó un año en explicar. Störmer, que recibió, con sus colegas, el Premio Nobel de Física en 1998, se basa en su propia experiencia para vaticinar que la mecánica cuántica "nos depara aún muchas sorpresas". Y advierte que los desarrollos tecnológicos de más éxito son a menudo fruto de hallazgos básicos sin aparente utilidad cuando fueron hechos."Es dificil predecir el futuro, pero igual que nuestro hallazgo fue una sorpresa, estoy seguro de que habrá muchas más. Hay fenómenos debidos a la mecánica cuántica, como la superconductividad a altas temperaturas, que aún no comprendemos, y sus implicaciones serán sorprendentes. Entendemos la mecánica cuántica, pero no conocemos todas sus manifestaciones", afirmó Störmer, alemán, director de investigación de Lucent Technologies y profesor de la Universidad de Columbia (Nueva York, EE UU), la semana pasada en la sede de Lucent Technologies en Madrid.

Lo que Störmer y Tsui encontraron en 1982 fue la existencia de cargas eléctricas fraccionarias. Algo "muy extraño y sorprendente", que, según Störmer, "si alguien hubiera predicho hace 30 años le hubieran llamado simplemente loco". El hallazgo fue "una pura casualidad".

Los investigadores sometían a los electrones a tres perrerías concretas a la vez: los obligaban a moverse en sólo dos dimensiones -en unas superficies específicas de material semiconductor-; los enfriaban a temperaturas cercanas al cero absoluto -273 grados centígrados bajo cero-, y además les aplicaban un intenso campo magnético. Se había predicho que bajo tales condiciones los electrones quedarían cristalizados, sin apenas capacidad de movimiento. Pero, en vez de eso, Störmer y Tsui observaron un comportamiento que no encajaba en teoría alguna. Recurrieron a su colega teórico Robert B. Laughlin, que dio con la explicación un año después.

Laughlin concluyó que en tales condiciones se forma un fluido cuántico en el que los electrones forman cuasipartículas cuya carga eléctrica es un tercio de la del electrón en condiciones normales. Sin embargo, como explica Störmer, el electrón no se fracciona... "Es uno de los antiintuitivos efectos de la mecánica cuántica".

"Hay que tener cuidado, porque no es que el electrón se divida. El electrón se queda intacto. Nosotros tenemos un sistema de dos dimensiones, de forma que los electrones sólo pueden moverse en un plano. En ese mundo bidimensional los electrones forman una especie de fluido, como si tuvieras una capa muy delgada de agua. Entonces aplicamos el campo magnético, que provoca pequeños torbellinos en el fluido. Esos torbellinos son los que transportan la corriente, y lo hacen con una carga eléctrica igual a un tercio de la del electrón. Ahora bien, lo que sale por el cable, ya en el mundo tridimensional, son electrones normales. Tres de esos torbellinos se meten en el cable y hacen un electrón", explica Störmer.

Se trata "en cierto sentido de un truco de la naturaleza, pero, por otro lado, es más que un truco, es la realidad en dos dimensiones", prosigue. "Si nosotros viviéramos dentro de la superfice bidimensional, y alguien del mundo de tres dimensiones nos pidiera que midiéramos la carga, nos diría que nuestra respuesta es errónea en un factor de tres. Pero no, para nuestro mundo bidimensional la verdad es que sólo medimos una carga de un tercio de la del electrón".

Pese a la importancia fundamental del hallazgo, aún no se le han encontrado aplicaciones. No hay forma de sacar las cargas fraccionarias del mundo bidimensional, así que "no van a hacer que las aspiradoras funcionen a la mitad de potencia", bromea Störmer. "Pero no sabemos cómo será el futuro. Tal vez los sistemas de dos dimensiones y las cargas fraccionarias sean muy útiles en el campo de la computación cuántica, por ejemplo... El futuro no se puede extrapolar. Los láseres, el transistor... no estaban previstos".

Es un argumento que sirve a Störmer para defender la investigación en ciencia básica también en las empresas, y también para pronosticar que la mecánica cuántica aún nos guarda sorpresas en la manga.

"Nosotros, como objetos clásicos en un mundo clásico, no tenemos ningún conocimiento intuitivo de lo que es la mecánica cuántica. No entendemos lo que significa atravesar una pared por efecto túnel. Estoy seguro de que queda mucho por entender. No entendemos sistemas como el cuerpo humano, no entendemos la biología, que es probablemente la más compleja de las implementaciones de los sistemas de estado sólido.".