Vibraciones cuánticas

Un cuanto (del Latín “quantum”, o en plural, “quanta”) es la mínima cantidad de energía involucrada en una interacción. Por ejemplo un fotón es un cuanto de luz.

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Por: Vicente Aboites

Un cuanto (del Latín “quantum”, o en plural, “quanta”) es la mínima cantidad de energía involucrada en una interacción.  Por ejemplo un fotón es un cuanto de luz.

La hipótesis de la cuantización de la energía fue propuesta por Max Planck para explicar el problema de la radiación emitida por un cuerpo caliente, llamado problema del cuerpo negro.

La física cuántica es la teoría general que describe el comportamiento de estos cuantos en diferentes sistemas físicos y fue elaborada por Erwin Schrodinger e independientemente por Werner Heisenberg.

La teoría cuántica explica la estabilidad atómica al admitir que cada electrón permanece en un estado o nivel energético discreto determinado dentro de un átomo.

Antes del surgimiento de la teoría cuántica era imposible comprender la estabilidad de los átomos pues apelando únicamente a la teoría electromagnética resulta que los átomos no podrían existir de modo estable ya que los electrones de cada átomo al girar alrededor del núcleo deberían perder energía por radiación y colapsarse en el núcleo, destruyendo de este modo al átomo.

El universo como lo conocemos ¡no existiría! ¡Las piedras, las plantas, el mar, los planetas y todo lo que conocemos, incluidos nosotros mismos, no podría existir! Este evidentemente no es el caso y el problema es que antes del desarrollo de la física cuántica y haciendo uso exclusivamente de la ciencia hasta entonces desarrollada i.e. empleando solo el electromagnetismo, la mecánica clásica, la termodinámica y la física estadística conocidas hasta finales del siglo diecinueve, era imposible explicar la existencia del mundo material que nos rodea formado por átomos y moléculas.

Adicionalmente, existen cuasipartículas como el fonón, que son el resultado de excitaciones colectivas en un arreglo periódico de átomos o moléculas. Estos fonones son fácilmente detectables en sólidos y en algunos líquidos. 

Los fonones son cruciales para entender algunas propiedades como la conductividad térmica o eléctrica. El estudio de los fonones es una parte importante de la física de la materia condensada. Este concepto fue introducido en mil novecientos treinta y dos por el físico soviético Igor Tamm.  

El nombre viene de la palabra griega “fone” que significa sonido, pues fonones de suficientemente grande longitud de onda pueden generar sonido. Es importante subrayar que a diferencia de un fotón, un fonón es un objeto cuántico que puede estar formado por un millones de átomos. De hecho los fotones y los fonones pueden interaccionar, por ejemplo en el llamado proceso de Dispersión Brillouin Estimulada (SBS por sus siglas en inglés y cuyo nombre es debido al físico francés León Brillouin).

En este caso un fonón interacciona con un fotón dando como resultado otro fotón pero con menor longitud de onda.  Este proceso es de enorme importancia práctica en muchos dispositivos opto-electrónicos y en láseres.

Este es un resultado cuántico producto de las vibraciones del medio material y su interacción con luz. Utilizando luz podemos detectar las vibraciones cuánticas presentes en la materia.

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