Cómo la mecánica cuántica impulsa la electrónica moderna

La mecánica cuántica es el estudio de las partículas más pequeñas que se pueden medir; el término «cuántico» significa literalmente «la cantidad más pequeña posible». Aunque es matemáticamente sólida y consistente, resulta desconcertante para quien tiene una perspectiva arraigada en el mundo físico macroscópico que conocemos. Sin embargo, la mecánica cuántica también impulsa un gran porcentaje de la electrónica que define el mundo moderno.

Transistores

Los transistores aprovechan efectos cuánticos —específicamente el tunelamiento de electrones— para actuar como válvulas de corriente eléctrica. Cada transistor tiene una base de cristal de germanio o silicio cultivada con impurezas. Al aplicar corriente eléctrica a la base, esta se vuelve conductora mediante efectos cuánticos; al retirar la electricidad, vuelve a ser aislante. Los transistores pueden amplificar señales eléctricas, lo que permite mover los altavoces de auriculares y equipos de sonido. Al explotar sus dos estados (encendido/apagado), los transistores generan ceros y unos, la base de las matemáticas binarias. En esencia, cada computadora electrónica —desde una calculadora de bolsillo hasta un smartphone— está construida con transistores, y su proceso de fabricación utiliza la mecánica cuántica. Los avances recientes en esta disciplina están permitiendo transistores más eficientes energéticamente mediante un uso refinado del tunelamiento de electrones.

Células fotovoltaicas

Si tienes un dispositivo con cargador solar, estás utilizando el efecto fotoeléctrico de la mecánica cuántica. Este es el mecanismo por el cual un fotón golpea un semiconductor y desencadena una cascada de electrones. Aunque es más conocido por la Teoría de la Relatividad, el Premio Nobel de Albert Einstein fue por explicar matemáticamente el efecto fotoeléctrico. Los fotones son el nombre que recibe el cuanto de energía electromagnética.

Medición precisa del tiempo

Los dispositivos electrónicos que miden el tiempo lo hacen mediante el efecto de un oscilador de cristal de cuarzo que utiliza un proceso cuántico llamado efecto piezoeléctrico. Cuando una corriente muy pequeña recorre el cuarzo, algunos de sus electrones son absorbidos por el cristal, que se expande; al cortar la corriente, el cristal se contrae. Como este proceso ocurre a escalas diminutas, se requieren cantidades minúsculas de energía. Para relojes de extrema precisión, el Observatorio Naval de EE. UU. usa la desintegración del cesio como medida de tiempo, ya que la tasa de desintegración de elementos radiactivos puede medirse con exactitud; esa desintegración es un efecto cuántico.

Láseres

La palabra «láser» significa «Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación», y el láser de tu reproductor de CD es tan producto de la mecánica cuántica como los transistores que convierten la señal en sonido. Para crear un láser, se usa el efecto fotoeléctrico al revés: en lugar de que un electrón sea expulsado de un material al absorber un fotón de la energía adecuada, los electrones del material son excitados hasta que liberan un cuanto de energía. Todos los fotones emitidos de esta forma tienen la misma frecuencia, lo que en el espectro visible se traduce en un solo color.