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La física cuántica establece límites fundamentales sobre lo que los científicos pueden conocer acerca del comportamiento de las partículas. El famoso principio de incertidumbre de Werner Heisenberg indica que ciertas propiedades, como la posición y el momento de una partícula, no pueden medirse con precisión ilimitada. Esta restricción no se debe a fallos en los instrumentos científicos, sino que está intrínsecamente ligada a las leyes de la naturaleza. Sin embargo, la posición y el tiempo son diferentes. El principio de incertidumbre de Heisenberg no impone la misma limitación sobre estas magnitudes. Recientemente, investigadores han demostrado experimentalmente otra limitación fundamental: la ubicación de un electrón y su comportamiento a lo largo del tiempo no pueden determinarse con precisión arbitraria. Esta relación, conocida como el "límite espacio-temporal", podría tener importantes repercusiones para el futuro de la tecnología cuántica y la electrónica ultrarrápida.
Este descubrimiento es el resultado de una colaboración internacional que involucra grupos de investigación del Centro de Nanoscopía Ultrarrápida de Regensburg (RUN), liderados por los profesores Jascha Repp, Rupert Huber, Franz Giessibl y Klaus Richter, junto con un equipo del Instituto Max Planck en Hamburgo, dirigido por Angel Rubio. Comprender cómo se comporta la materia en las escalas más pequeñas es esencial para desarrollar la próxima generación de tecnología. Los avances en energía limpia, computación cuántica y electrónica potente para inteligencia artificial dependen de conocer cómo se desarrollan las reacciones químicas, cómo la luz interactúa con los materiales y cómo los electrones se desplazan a través de dispositivos electrónicos.
Sin embargo, incluso las fotografías microscópicas más nítidas no pueden revelar el panorama completo. Los científicos también necesitan observar cómo estos procesos cambian con el tiempo, creando efectivamente películas en cámara lenta de eventos que ocurren a escala atómica. En el RUN, los investigadores están desarrollando microscopios ultrarrápidos capaces de registrar los movimientos de electrones, átomos y moléculas con una precisión extraordinaria tanto en el espacio como en el tiempo. Hace aproximadamente diez años, científicos en Regensburg utilizaron la microscopía de túnel de barrido ultrarrápido para resolver por primera vez el movimiento de una sola molécula a través del espacio y el tiempo.
Seguir el rastro de electrones individuales presenta un desafío aún mayor. A estas distancias microscópicas, los electrones pueden moverse aproximadamente mil veces más rápido que átomos y moléculas, con cambios importantes que ocurren en solo attosegundos.
Para comprender cuán extremas son estas escalas, es importante considerar que un átomo es aproximadamente diez millones de veces más pequeño que un milímetro. Un attosegundo equivale a una milmillonésima de milmillonésima de segundo. La diferencia entre un attosegundo y un segundo es comparable a la diferencia entre un segundo y toda la edad del universo.
Realizar estas mediciones es especialmente complicado porque los electrones no se comportan como objetos ordinarios. Su movimiento sigue las inusuales leyes de la mecánica cuántica en lugar de las reglas familiares de la física clásica.
Para observar el comportamiento de los electrones a estas velocidades extraordinarias, los investigadores construyeron un nuevo sistema láser que proporciona una resolución temporal mucho más fina que experimentos anteriores. Este sistema les permite controlar y estudiar el movimiento cuántico de electrones individuales de manera directa.
En los experimentos, pulsos láser cuidadosamente sincronizados impulsan electrones desde una punta metálica extremadamente afilada hacia una superficie de plata. La distancia que recorren es solo de unos pocos diámetros atómicos.
Los investigadores detectan este movimiento midiendo la corriente eléctrica resultante. Para determinar exactamente cuándo se mueven los electrones, utilizan dos pulsos de luz separados por un intervalo de tiempo controlado con precisión.
Simon Maier, el autor principal del artículo, explica: "Al variar el intervalo de tiempo entre los dos pulsos láser, podemos observar directamente cómo responden los electrones".
Este enfoque reveló evidencia clara del movimiento de electrones que ocurre en escalas de tiempo de attosegundos. Mostró que los pulsos láser podían transferir electrones dentro de estos intervalos increíblemente breves, permitiendo a los científicos observar el proceso mientras sucedía.
Lo que hace que el resultado sea particularmente notable es cómo viajan los electrones. En lugar de moverse como partículas convencionales, se comportan como ondas cuánticas. Esto les permite atravesar una barrera de energía que separa la punta metálica de la superficie de plata, a pesar de que la física clásica predice que no deberían tener suficiente energía para cruzarla.
Este fenómeno, conocido como túnel cuántico, es algo similar a un objeto que pasa a través de una pared sólida sin romperla ni dañarla.
"Nuestra medición puede entenderse como una cámara de alta velocidad para los paquetes de ondas electrónicas, ya que se puede ver en qué punto del tiempo tiene lugar el proceso de túnel", explica Katharina Glöckl, estudiante de doctorado y coautora de la publicación.
Para profundizar en las mediciones, los investigadores que trabajaron con el profesor Ángel Rubio realizaron simulaciones cuánticas sofisticadas sobre el comportamiento de los electrones cerca del "límite espacio-temporal". Sus cálculos reprodujeron de manera precisa los hallazgos experimentales y revelaron otro detalle notable: los electrones no respondieron al campo de luz de forma instantánea. En cambio, su movimiento se retrasó aproximadamente 500 attosegundos. A escalas tan extremas, varias características fundamentales de la física cuántica se vuelven importantes simultáneamente.
Por ejemplo, los investigadores encontraron que los pulsos láser no podían describirse completamente tratando a la luz como una onda o únicamente como partículas individuales llamadas fotones. Sus efectos mostraron características de ambas descripciones. Esta combinación fue esencial para explorar el comportamiento de los electrones tan cerca del "límite espacio-temporal". El equipo también descubrió que controlar el movimiento de los electrones durante intervalos extremadamente cortos cambia la forma en que estos se distribuyen en el espacio. La mecánica cuántica describe a estos electrones utilizando paquetes de onda, que representan cómo sus propiedades ondulatorias se extienden a través de diferentes ubicaciones.
La relación entre el tiempo del movimiento de los electrones y la extensión espacial de estos paquetes de onda reveló la limitación central detrás del descubrimiento. Raffael Spachtholz, otro coautor del estudio, explica: "Cuanto más precisamente queramos fijar la posición del electrón en el tiempo, más energía necesitamos proporcionar. Y como resultado, el paquete de onda del electrón se expande más espacialmente". En otras palabras, mejorar la precisión del tiempo de un electrón conlleva un costo. Cuanto más estrictamente definan los investigadores cuándo ocurre su movimiento, más ampliamente se dispersa su paquete de onda cuántico a través del espacio.
Para examinar esta relación experimentalmente, el equipo colocó un solo átomo en la superficie para confinar los paquetes de onda de electrones a una región extremadamente pequeña justo antes de que llegaran los pulsos láser. Este arreglo permitió a los científicos medir directamente la conexión entre la distribución espacial de los electrones y el tiempo de su movimiento.
Es importante destacar que, incluso cuando los electrones recibieron una considerable energía de los pulsos láser, sus paquetes de ondas permanecieron lo suficientemente localizados como para permitir la microscopía con resolución espacial atómica y resolución temporal en attosegundos. Estos hallazgos ofrecen una perspectiva experimental sobre una limitación fundamental del espacio-tiempo que los científicos solo habían sospechado anteriormente. Además, permiten investigar de manera sistemática cómo los cambios en el movimiento de los electrones a lo largo del tiempo afectan la estructura espacial de las funciones de onda cuánticas.
Más allá de revelar un nuevo aspecto del comportamiento cuántico, este descubrimiento podría abrir la puerta a tecnologías que operen en escalas de tiempo muy superiores a las capacidades de la electrónica actual. Una posibilidad especialmente prometedora implica el uso de paquetes de ondas electrónicas controladas con precisión para influir en reacciones químicas. Transferir un solo electrón a una molécula representa la transferencia de carga eléctrica más pequeña posible. Sin embargo, cuando ese electrón se concentra en una región de espacio y tiempo excepcionalmente pequeña, la densidad de corriente local resultante puede alcanzar hasta 1 billón de amperios por centímetro cuadrado.
Estas condiciones extremas podrían proporcionar a los científicos nuevas formas de controlar los enlaces químicos y observar cómo cambian las moléculas durante las reacciones. "En el futuro, queremos utilizar tales paquetes de ondas para desencadenar reacciones químicas de manera específica y observar, en las escalas de longitud y tiempo relevantes, cómo se pueden romper o alterar los enlaces químicos", explica con entusiasmo el profesor Jascha Repp.
Las implicaciones podrían extenderse mucho más allá de la química. Un mayor control sobre el movimiento de los electrones podría eventualmente ayudar a los ingenieros a desarrollar dispositivos electrónicos y sistemas de información cuántica que operen a velocidades cercanas a los límites fundamentales de la dinámica electrónica. "A largo plazo, los conocimientos adquiridos también podrían contribuir a operar la electrónica y el procesamiento de información cuántica a la velocidad intrínseca del movimiento de los electrones en sí, que es cientos de miles de veces más rápida que la tecnología CMOS actualmente dominante", añade el profesor Rupert Huber.
Esa posibilidad sigue siendo un objetivo tecnológico a largo plazo en lugar de un logro demostrado en los experimentos actuales. Sin embargo, los hallazgos proporcionan una nueva base para explorar cómo se pueden manipular los electrones a las distancias más pequeñas y en las escalas de tiempo más cortas.
Para Repp y Huber, los resultados sugieren que el rango de aplicaciones potenciales es extraordinariamente amplio. Ellos creen que los avances futuros en el control de electrones en el límite espacio-temporal podrían depender más de la creatividad humana que de las limitaciones impuestas por la naturaleza. Esta visión resalta la importancia de la innovación y la imaginación en el desarrollo de nuevas tecnologías, lo que podría llevar a la creación de dispositivos electrónicos que funcionen a velocidades significativamente más altas de lo que actualmente es posible. La idea de que la creatividad humana puede superar las restricciones naturales abre un horizonte fascinante para la investigación en electrónica y otros campos relacionados.
Este estudio ha sido realizado por un equipo de investigadores de la Universidad de Regensburg, que ha explorado cómo se pueden rastrear electrones en el límite espacio-temporal. Los hallazgos se publicaron en la revista Nature Photonics, un medio de referencia en el ámbito de la física y la tecnología. El artículo original fue escrito por Karoline Stürmer y presenta un análisis detallado sobre el seguimiento de electrones en este límite crítico. La referencia del estudio es: S. Maier, R. Spachtholz, K. Glöckl, C. M. Bustamante, S. Lingl, M. Maczejka, J. Schön, A. Riedel, K. Richter, F. J. Giessibl, F. P. Bonafè, M. A. Huber, A. Rubio, J. Repp, R. Huber. Tracking electrons at the space-time limit, Nature Photonics, 2026; 20 (8): 961 DOI: 10.1038/s41566-026-01932-0. Este trabajo no solo abre nuevas posibilidades en el campo de la electrónica, sino que también plantea preguntas sobre cómo la física fundamental puede ser aplicada en la tecnología del día a día. Los investigadores están convencidos de que estos avances podrían transformar la manera en que interactuamos con los dispositivos electrónicos, haciendo que sean más rápidos y eficientes. La investigación en este ámbito es crucial para el futuro de la tecnología, ya que podría llevar a innovaciones que hoy parecen inimaginables.
Fuente original: ScienceDaily.
