El Premio Nobel de Física 2025 ha sido otorgado a John Clarke (Universidad de California, Berkeley), Michel H. Devoret (Universidad de Yale y Universidad de California Santa Barbara) y John M. Martinis (Universidad de California Santa Barbara y QoLab) por el descubrimiento del efecto túnel cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico. Salvo que sepas de física, esto te habrá sonado a chino. Vamos a intentar explicaros en este post de qué va eso del túnel cuántico y la cuantización de la energía y las razones por las que su descubrimiento ha sentado las bases de la revolución tecnológica cuántica que vivimos actualmente.

¿Qué descubrieron exactamente?

En primer lugar, debemos tener en cuenta que estamos hablando del mundo cuántico. En ese mundo de partículas subatómicas hay reglas que son muy diferentes a las del mundo macroscópico, a las de la física clásica que todos conocemos, que implican a muchas partículas.

Una vez con la cabeza dentro del mundo cuántico, vamos a hablar de dos conceptos de la física cuántica: el efecto túnel y la cuantización de la energía.

El efecto túnel es uno de los fenómenos más “raros” o desconcertantes de la mecánica cuántica. Es un proceso por el que se permite que una partícula se mueva a través de una barrera. Imaginad tirar una pelota contra una pared sólida. Según la física clásica, la que vemos a diario, la pelota rebotará. Sin embargo, en el mundo cuántico, la pelota puede atravesar la pared y aparecer al otro lado sin alterar la pared, es decir, sin romperla ni dañarla. ¿Magia? No, física cuántica, pero muy poco intuitivo. Esto ocurre porque las partículas subatómicas tienen una naturaleza ondulatoria que les permite «filtrarse» a través de barreras que, en principio, no deberían poder cruzar.

Imagen ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/

Desde los años 1920, los físicos sabían que este efecto existía, pero solo lo habían observado en el reino de lo infinitamente pequeño: electrones individuales, átomos, partículas cuánticas. ¿Podría este comportamiento manifestarse en sistemas más grandes, con miles de millones de partículas actuando conjuntamente? Clarke, Devoret y Martinis demostraron que sí y eso es parte de lo que les ha valido el Nobel de este año.

La cuantización de la energía es el principio según el cual la energía no puede tomar cualquier valor, sino solo cantidades específicas y discretas, como si subiera por una escalera en lugar de por una rampa continua. Este concepto, introducido por Max Planck hace más de un siglo, es fundamental en la física cuántica.

El experimento que demostró todo

En un material conductor ordinario, la corriente fluye porque hay electrones que se mueven libremente a través de todo el material y se “chocan” entre sí y con el material. Cuando un material se convierte en superconductor, los electrones se unen como pares, llamados entonces pares de Cooper, y forman una corriente que fluye sin resistencia. El físico británico Brian Josephson predijo teóricamente (años 60) que los pares de electrones en materiales superconductores podrían atravesar una barrera aislante gracias al efecto túnel. Esa fina barrera aislante entre dos materiales superconductores es lo que se llama desde entonces la unión de Josephson. En la imagen de debajo, partes 2 y 3, la separación entre los dos cilindros representa el material no conductor, la unión de Josephson.

Entre 1984 y 1985, en la Universidad de California en Berkeley, Clarke, Devoret y Martinis diseñaron un experimento que demostraría este efecto túnel macroscópico. John Clarke era profesor en Berkeley, Michel Devoret investigador postdoctoral y John Martinis realizaba su doctorado bajo la supervisión de Clarke. Diseñaron y construyeron un circuito eléctrico con dos materiales superconductores y los separaron por una fina capa de un material no conductor (tan fina que hablamos de nanómetros).

El desafío que enfrentaban Clarke, Devoret y Martinis era complejo. Necesitaban enfriar el circuito que había construido hasta solo unas fracciones de grado por encima del cero absoluto. Entonces tenían que realizar mediciones extraordinariamente precisas para detectar fenómenos cuánticos en un sistema que contenía miles de millones de partículas actuando colectivamente. Recordad que hemos dicho anteriormente que los efectos cuánticos, hasta entonces, solo se veían en partículas individuales…

Lo que observaron fue revolucionario. Para medir los fenómenos cuánticos, introdujeron una corriente débil en la unión de Josephson y midieron el voltaje, que está relacionado con la resistencia eléctrica en el circuito. El voltaje sobre la unión de Josephson fue inicialmente cero, como se esperaba. Sin embargo, detectaron después la aparición de un voltaje.

Lo que sucede en el circuito es que los electrones en el superconductor no se comportaban como partículas individuales, sino que formaban un sistema colectivo que actuaba como una sola «superpartícula» cuántica que llenaba todo el circuito. Este sistema quedaba inicialmente atrapado en un estado en el que la corriente fluía sin voltaje, como si estuviera detrás de una barrera energética infranqueable (porque no tenía la energía suficiente para hacerlo). Pero entonces los tres investigadores fueron capaces de detectar algo inesperado: el sistema (la superpartícula, para entendernos) logró escapar de ese estado mediante efecto túnel, atravesando la barrera sin tener suficiente energía clásica para hacerlo. El cambio de estado se detectó mediante la aparición de un voltaje. Era la primera demostración inequívoca del efecto túnel cuántico a escala macroscópica.

Además, los investigadores confirmaron que el sistema solo podía absorber o emitir energía en cantidades específicas y discretas, exactamente como predice la mecánica cuántica (cuantización de la energía). Para ello introdujeron microondas de diferentes longitudes de onda en el estado de voltaje cero. Algunas de estas fueron absorbidas, y el sistema se movió a un nivel de energía más alto. Esto mostró que el estado de voltaje cero tenía una duración más corta cuando el sistema contenía más energía, lo cual es exactamente lo que predice la mecánica cuántica.

Imagen ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/

¿Un Nobel polémico?

Como casi siempre que se otorga un Premio Nobel, existe cierta polémica. Vale, es una polémica que no suele llegar al gran público, pero en el ámbito científico siempre hay comentarios y opiniones encontradas… ¡los científicos son personas normales!

En este caso, algunos investigadores dudan de que este trabajo represente un avance científico fundamental. Para algunos se trata más bien de un logro técnico de ingeniería. De hecho, sostienen que Clarke, Devoret y Martinis no lograron un avance importante en la ciencia, sino en la técnica de enfriamiento y medida. Es verdad que tiene bastante mérito medir un efecto cuántico sin afectarlo, porque las propiedades cuánticas son frágiles y pueden “colapsar” cuando las intentamos medir. Y más mérito tiene haberlo hecho con la tecnología de los años 80. Sin embargo, algunos opinan que esto es más un mérito técnico que un hallazgo científico relevante. Por otra parte, hay científicos que consideran incomprensible que el premio haya ido a parar a estos tres físicos por trabajos que casi todo el mundo ya había olvidado.

Otros argumentan que el efecto túnel ya había sido premiado anteriormente: en 1973 se otorgó el Nobel a Leo Esaki, Ivar Giaever y Brian Josephson por sus descubrimientos del efecto túnel en sólidos, y en 1986 a Gerd Binnig y Heinrich Rohrer por la invención del microscopio de efecto túnel.

Sin embargo, otros muchos científicos celebran la concesión, destacando que se ha podido comprobar una propiedad cuántica en el mundo macroscópico por primera vez, un logro conceptual profundo que extiende la validez de las leyes cuánticas hacia sistemas complejos. El físico español Ignacio Cirac, director de la División de Teoría del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica, considera que el premio es bien merecido: «Sus experimentos han sido cruciales para los avances en tecnologías superconductoras que hoy en día se utilizan en muchos ámbitos, en particular en los ordenadores cuánticos».