Naturaleza mágica: el sentir de los electrones

Octavi López Coronado / 22-05-2007

Los electrones sienten. Y eso ya es algo que pone la piel de gallina. Un electrón, sea lo que sea en realidad, siente la presencia de otro electrón y se ve repelido por él. Aunque no se toquen y haya una buena distancia entre ellos. Los físicos estuvieron mucho tiempo dándole vueltas al asunto de la acción a distancia, difícil de aceptar, hasta que inventaron el concepto de campo.

Con el campo ya no es necesario que el electrón efectúe ninguna acción a distancia. Simplemente, basta con asumir que lo que hace un electrón es modificar las propiedades del espacio que le rodea de modo que, cuando pasa otro electrón por allí cerca, lo que siente no es su presencia, sino la de un campo eléctrico. Es como si al entrar en una habitación detectamos otra persona por su olor. Lo que percibimos es el olor que desprende, no la persona misma.

Hay un campo físico que todos sentimos con mucha intensidad: el campo gravitatorio. Lo que notamos no es la presencia de la Tierra sino un cierto peso que nos atrae hacia ella. Con el concepto de campo, es el propio espacio el que tiene unas propiedades físicas que actúan sobre las cosas, ya sean los electrones o nosotros mismos.

Si ya hemos incorporado el concepto de campo, nada mejor que un poco de mecánica cuántica para dar un nuevo vuelco a esa intuición. En 1959, dos físicos en Israel, Yakir Aharonov y David Bohm, se dieron cuenta de que los electrones pueden llegar a sentir incluso campos electromagnéticos escondidos, es decir, campos que existen en algún lugar, pero que son nulos allí donde están los electrones. Con la física clásica aceptamos que un electrón puede sentir la presencia de otro a una cierta distancia gracias al concepto de campo. La mecánica cuántica indica que un electrón puede detectar la presencia de un campo desde un lugar donde éste es nulo.

El efecto descubierto por Aharonov y Bohm aparece si se realiza el llamado experimento AB (de las iniciales de los dos físicos). La propuesta de los científicos es una modificación del experimento de la doble rendija con electrones. Esta experiencia consiste en hacer chocar electrones contra una pantalla detectora después de haber pasado por una pared con un par de aberturas en forma de rendijas. Recordábamos en el artículo "La doble rendija" que los resultados son sorprendentes: los electrones no llegan a la pantalla como simples partículas, sino que interfieren con ellos mismos y forman patrones de interferencia típicos de las ondas. El patrón de interferencia en forma de franjas se reproduce tantas veces como repitamos el experimento.

Supongamos ahora que, pegada a la pared donde están las rendijas, justo entre ellas y escondida del haz de electrones, ponemos una pequeña bobina. Un rollo de hilo conductor por el que hacemos pasar una corriente eléctrica. Este tipo de rollos pueden crear un campo magnético en su interior, como el de los imanes, que en el exterior es nulo. Tenemos un tubo diminuto con un campo magnético confinado en su interior. Desde fuera no es posible saber si dentro hay o no hay campo magnético… o al menos eso es lo que se creía antes de que los físicos israelitas se pusieran a pensar sobre este asunto.

Al repetir el experimento de la doble rendija con la bobina en funcionamiento recibimos una nueva sorpresa. El mago Ricardo y su ayudante Tomás introducirían en este momento la bobina en forma de chistera en el centro de la doble rendija y retarían al público a adivinar si dentro de la chistera hay o no hay campo magnético, algo absolutamente imposible hasta el momento si uno no introduce la mano para medirlo.

Al poner en marcha la bobina, el patrón de franjas de la pantalla se desplaza ligeramente hacia un lado. Aunque la bobina esté en un lugar por el que los electrones no pueden pasar, es decir, aunque los electrones hagan todo su recorrido por una zona en la que el campo magnético es cero, de alguna manera detectan que allí cerca hay un campo magnético escondido y modifican su comportamiento desplazando ligeramente el patrón de interferencia.

Cada electrón por separado no reacciona al campo magnético escondido, pues si no hay campo allí por donde pasa, ninguna fuerza puede desplazarlo. Pero en su conjunto, al interferir misteriosamente, la presencia cercana de un campo magnético (que ninguno de los electrones ha visto) modifica el resultado final sobre la pantalla.

Así pues, si ya nos sorprendió que cada electrón sepa de la existencia simultánea de las dos rendijas, ¡ahora vemos que "percibe" un campo magnético totalmente escondido!

El efecto fue comprobado experimentalmente sólo un año después, en 1960. Bob Chambers, físico de la Universidad de Bristol (Inglaterra) utilizó un microscopio electrónico como cañón de electrones, una doble rendija microscópica y un hilo de hierro de medio milímetro de largo y una micra de diámetro, suficientemente estrecho como para actuar como una "bobina" y confinar un campo magnético en su interior. Al realizar el experimento de la doble rendija se observaron, efectivamente, los desplazamientos en el patrón de franjas de interferencia de los haces de electrones. Más recientemente, en 2004, el efecto Aharonov-Bohm ha sido utilizado para cambiar las características eléctricas de nanotubos de carbono, concretamente para convertirlos de metales a semiconductores y viceversa, con prometedoras aplicaciones en la electrónica.

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El autor

Octavi López Coronado es Doctor en Física y divulgador científico. Actualmente trabaja como técnico de Comunicación Científica en el Área de Comunicación de la Universitat Autònoma de Barcelona.

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