F?SICA Estados de la materia El Nobel St?rmer y las sorpresas cu¨¢nticas

En 1982, los f¨ªsicos Horst L. St?rmer y Daniel C. Tsui investigaban qu¨¦ les pasa a los electrones cuando se les somete a determinadas condiciones extremas. Su prop¨®sito era dar con la respuesta a un problema te¨®rico, pero sin querer se toparon con otro: encontraron un nuevo estado de la materia que nadie hab¨ªa predicho, y que de hecho se tard¨® un a?o en explicar. St?rmer, que recibi¨®, con sus colegas, el Premio Nobel de F¨ªsica en 1998, se basa en su propia experiencia para vaticinar que la mec¨¢nica cu¨¢ntica "nos depara a¨²n muchas sorpresas". Y advierte que los desarrollos tecnol¨®gicos de m¨¢s ¨¦xito son a menudo fruto de hallazgos b¨¢sicos sin aparente utilidad cuando fueron hechos."Es dificil predecir el futuro, pero igual que nuestro hallazgo fue una sorpresa, estoy seguro de que habr¨¢ muchas m¨¢s. Hay fen¨®menos debidos a la mec¨¢nica cu¨¢ntica, como la superconductividad a altas temperaturas, que a¨²n no comprendemos, y sus implicaciones ser¨¢n sorprendentes. Entendemos la mec¨¢nica cu¨¢ntica, pero no conocemos todas sus manifestaciones", afirm¨® St?rmer, alem¨¢n, director de investigaci¨®n 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 St?rmer y Tsui encontraron en 1982 fue la existencia de cargas el¨¦ctricas fraccionarias. Algo "muy extra?o y sorprendente", que, seg¨²n St?rmer, "si alguien hubiera predicho hace 30 a?os le hubieran llamado simplemente loco". El hallazgo fue "una pura casualidad".

Los investigadores somet¨ªan a los electrones a tres perrer¨ªas concretas a la vez: los obligaban a moverse en s¨®lo dos dimensiones -en unas superficies espec¨ªficas de material semiconductor-; los enfriaban a temperaturas cercanas al cero absoluto -273 grados cent¨ªgrados bajo cero-, y adem¨¢s les aplicaban un intenso campo magn¨¦tico. Se hab¨ªa predicho que bajo tales condiciones los electrones quedar¨ªan cristalizados, sin apenas capacidad de movimiento. Pero, en vez de eso, St?rmer y Tsui observaron un comportamiento que no encajaba en teor¨ªa alguna. Recurrieron a su colega te¨®rico Robert B. Laughlin, que dio con la explicaci¨®n un a?o despu¨¦s.

Laughlin concluy¨® que en tales condiciones se forma un fluido cu¨¢ntico en el que los electrones forman cuasipart¨ªculas cuya carga el¨¦ctrica es un tercio de la del electr¨®n en condiciones normales. Sin embargo, como explica St?rmer, el electr¨®n no se fracciona... "Es uno de los antiintuitivos efectos de la mec¨¢nica cu¨¢ntica".

"Hay que tener cuidado, porque no es que el electr¨®n se divida. El electr¨®n se queda intacto. Nosotros tenemos un sistema de dos dimensiones, de forma que los electrones s¨®lo 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 magn¨¦tico, que provoca peque?os torbellinos en el fluido. Esos torbellinos son los que transportan la corriente, y lo hacen con una carga el¨¦ctrica igual a un tercio de la del electr¨®n. 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 electr¨®n", explica St?rmer.

Se trata "en cierto sentido de un truco de la naturaleza, pero, por otro lado, es m¨¢s que un truco, es la realidad en dos dimensiones", prosigue. "Si nosotros vivi¨¦ramos dentro de la superfice bidimensional, y alguien del mundo de tres dimensiones nos pidiera que midi¨¦ramos la carga, nos dir¨ªa que nuestra respuesta es err¨®nea en un factor de tres. Pero no, para nuestro mundo bidimensional la verdad es que s¨®lo medimos una carga de un tercio de la del electr¨®n".

Pese a la importancia fundamental del hallazgo, a¨²n no se le han encontrado aplicaciones. No hay forma de sacar las cargas fraccionarias del mundo bidimensional, as¨ª que "no van a hacer que las aspiradoras funcionen a la mitad de potencia", bromea St?rmer. "Pero no sabemos c¨®mo ser¨¢ el futuro. Tal vez los sistemas de dos dimensiones y las cargas fraccionarias sean muy ¨²tiles en el campo de la computaci¨®n cu¨¢ntica, por ejemplo... El futuro no se puede extrapolar. Los l¨¢seres, el transistor... no estaban previstos".

Es un argumento que sirve a St?rmer para defender la investigaci¨®n en ciencia b¨¢sica tambi¨¦n en las empresas, y tambi¨¦n para pronosticar que la mec¨¢nica cu¨¢ntica a¨²n nos guarda sorpresas en la manga.

"Nosotros, como objetos cl¨¢sicos en un mundo cl¨¢sico, no tenemos ning¨²n conocimiento intuitivo de lo que es la mec¨¢nica cu¨¢ntica. No entendemos lo que significa atravesar una pared por efecto t¨²nel. Estoy seguro de que queda mucho por entender. No entendemos sistemas como el cuerpo humano, no entendemos la biolog¨ªa, que es probablemente la m¨¢s compleja de las implementaciones de los sistemas de estado s¨®lido.".