LA INTIMIDAD DE LOS ATOMOS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

Lo enseñan en las escuelas de medio mundo, los átomos se relacionan entre sí. Hemos aprendido que las moléculas son las formas de relación estables, sujetas a todos los vaivenes de la vida, como ocurre con los humanos. Los átomos se juntan, si se gustan se unen, si no pasa nada permanecen juntos, hasta que nuevas tentaciones por parte de otros, pueden acabar con sus formas de pareja o reunión para formar otras nuevas. No hay, necesariamente monogamia, solamente unas pocas parejas mantienen la proporción 1:1. Son más abundantes las relaciones “poligámicas”. En una cosa si hay diferencia con los humanos: nunca quedan solos. Debe ser un alivio para los átomos, aunque para los humanos tiene algo de tragedia. La fuerza que atrae a los átomos es fuerte. Depende del medio en el que se encuentran pero, dependen mucho más de las características de los átomos que se emparejan o reúnen. Los hay también más sosos, los gases nobles. Su displicencia es tal que, durante mucho se pensó que no querían saber nada de ningún otro átomo. Se les concebía como “clasistas”. Eran endogámicos y se reunían con ellos mismos y no querían saber del resto nada. Poco a poco, acercándose más a ellos, se descubrió que eran “muy flojos”, que no es que no se reunieran, pero como si estuvieran desganados, alicaídos, poco enérgicos. Tienen su medio en el que sobrevivir, pero les cuesta mucho.

Probablemente los átomos son las partículas de las que más se ha hablado, aún cuando ha costado mucho verlos, encararlos. Sus propiedades y sus aportaciones se han descubierto. Sus familias también, casi todas, pero lo que es verlos, permanece en la oscuridad, por ser muy esquivos. Por primera vez dos átomos juntándose han estado al alcance de la imagen. Un experimento ha permitido construir un mapa del proceso de colisión de dos átomos. Colisionar dos átomos es un proceso sumamente frecuente, casi todo lo que hacemos o podemos imaginar conlleva que átomos colisionan. Observarlo es otra cosa. Se ha descrito, se han elaborado teorías, mecánicas precisas para describirlo, se derivan propiedades y consecuencias de las colisiones, pero lo que es verlas cuando están ocurriendo no se había observado anteriormente nunca. Para imaginación la de Demócrito, filósofo y matemático griego que vivió entre los siglos V-IV a. C. Fue discípulo de Leucipo  y  es especialmente recordado por su concepción atomista de la materia. Es muy importante tener una descripción detallada de lo que ocurre cuando dos átomos se reúnen. Hay muchos campos de conocimiento que requieren conocerlo, por ejemplo en la computación cuántica, en la que se requiere el uso de sensores cuánticos o en las memorias de ordenador de alta densidad que están basadas en átomos individuales para el almacén de los datos y el tratamiento de la información.

Yang coordina un grupo de investigación en el IBM Almaden Research Centre  que ha logrado que se den un toque un átomo de titanio y uno de hierro y observarlo. El primero, paciente en la espera, se situó en la superficie y el segundo se mantuvo en la punta de la sonda de un microscopio electrónico. Se vio la fuerza de la interacción magnética, que es una medida del solapamiento de los bordes de los dos átomos. Desde lo que se puede considerar primer contacto, hasta la colisión completa, la interacción magnética alcanzó una magnitud 10.000 veces mayor. Los bordes de la zona donde un átomo ejerce su influencia no son rígidos, sino difusos. Esa parte más exterior de la “itinerancia” de los electrones,  que es lo que describen sus órbitas y que están basadas en la probabilidad de encontrarles en cada punto del espacio, son lo que se denomina funciones de onda. Como los átomos se mueven cada uno hacia el otro, empiezan a interaccionar mediante una fuerza que se denomina Interacción de intercambio, que hace referencia, precisamente, a que los electrones están en trance de pasar de estar descritos por uno de los átomos a estarlo por el otro. Esta fuerza comienza a incrementarse conforme aumenta el solapamiento entre las dos funciones de onda que describen a cada uno de los átomos. Los átomos llegan a estar tan juntos que, la función de onda de uno de ellos puede describir al otro. Esta fuerza Interacción de Intercambio, fue propuesta por Pauli y es la responsable de muchos procesos como la exclusión, por la cual dos electrones no pueden ocupar el mismo lugar del espacio, lo que se demuestra mediante propiedades de simetría y la generación de las interacciones magnéticas, entre otras.

Los átomos de titanio se depositaron sobre una capa de espesor de dos átomos de óxido de magnesio, que actuó como aislante. Midieron el efecto magnético al aproximar el átomo de hierro  a los niveles de energía de los átomos de titanio por dos procedimientos: mediante ESR  (Resonancia de Espin Electrónico) capaz de proporcionar medidas del detalle de las interacciones débiles y emplearon, también, la espectroscopía de efecto túnel, que permite medidas de interacciones fuertes entre átomos en zonas más próximas. A partir de los dos conjuntos de medidas se obtuvo el mismo perfil (una curva exponencial) al representar la fuerza frente a la distancia, en un amplio margen de la escala.

La importancia del experimento radica en que ahora se conoce con detalle lo que la teoría ha venido prediciendo desde hace mucho. En Ciencia, teoría y experimento se complementan, una sugiere a la otra o viceversa y se van concretando los logros conforme la Técnica está dispuesta y a punto para evidenciar lo que se propone. Este es el caso. Ahora se tiene un camino expedito para avanzar en las tecnologías cuánticas a escala atómica, al poderse “ver” a escala atómica donde están los átomos, cambiarlos de lugar, construir estructuras y medir sus propiedades y, a nivel de computación cuántica, posibilitar el control coherente de las operaciones cuánticas. A nivel académico, también, la incidencia es notable, por disponer de un dispositivo instrumental capaz de estudiar las conexiones entre átomos como se ven influenciadas si situamos dos o tres átomos sobre una superficie, le aplicamos una fuerza a uno de ellos y podemos observar la incidencia sobre los otros, lo que pondrá de relieve las conexiones entre ellos como se ven modificadas. Estamos en condiciones de examinar los mecanismos subyacentes a nivel atómico.

Cada vez disponemos de más evidencias del comportamiento cuántico de la materia. Es interesante y resulta divertido contemplar el avance del conocimiento científico. Es una herramienta precisa y correcta para ir desvelando el mundo en que vivimos. Interesante.