Fonón: así es el sonido del mundo cuántico

Desde la música de una guitarra hasta el ladrido de tu perro, todos los sonidos se propagan en el espacio que nos rodea a través de una onda mecánica. La onda comprime y descomprime el aire, o el medio material en el que se desplace, y por eso la oímos.

Esto es semejante a lo que hacen las vibraciones de los átomos en un sólido cristalino, que son aquellos sólidos cuyos átomos están ordenados periódicamente en las tres dimensiones, como por ejemplo una lámina de cobre, un trozo de hielo o un diamante.

En el submundo de los átomos, el sonido de las partículas cuánticas respeta un tipo de leyes diferentes a la de una cuerda de la guitarra o el ladrido de tu perro. La energía transportada por estas ondas, fruto del movimiento de los átomos, debe ajustarse a las leyes de la mecánica cuántica y transmitir la energía a través de paquetes o cuantos de energía.

El enano mundo de los fonones

Cualquier material, visto al microscopio, está compuesto por átomos que se conectan entre sí para adquirir una forma determinada, desde una pared hasta el cuerpo humano, desde las uñas hasta las células del corazón. Las moléculas son combinaciones estables y eléctricamente neutras de átomos.

En un sólido cristalino, los átomos están dispuestos de manera ordenada en una estructura uniforme y repetitiva. Podemos imaginarnos una red en cuyos nodos están anclados los átomos, con una particularidad: nunca se quedan quietos, vibran alrededor de su posición de equilibrio. “En ese momento, comienza la sinfonía”, expresa la Doctora de CUNE en Métodos cuantitativos, Gloria Anemone, profesora contratada, CUNEF.

Se puede considerar que los enlaces entre dichos átomos se comportan esencialmente como muelles, de tal manera que cuando uno se mueve una onda se propaga en todo el cristal. Pero claro, si esta onda la mirásemos con ojos mecano-cuánticos la veríamos también como una partícula debido al principio de dualidad onda-corpúsculo.

Aparece entonces el fonón, que se mueve por el cristal interaccionando con otras partículas como los electrones. Esta interacción, por ejemplo, bajo ciertas condiciones, da lugar a fenómenos fascinantes como la superconductividad.

La palabra fonón proviene del griego phonos, que significa sonido o voz. Un fonón es un objeto cuántico que emerge de las vibraciones colectivas de billones de átomos en una red cristalina. Se clasifica como una cuasipartícula o excitación colectiva.

A diferencia de una partícula, como un electrón o un átomo, que puede existir de manera aislada e independiente, una cuasipartícula no tiene una existencia propia fuera del sistema en el que aparece. Podemos tener electrones libres, pero los fonones solo existen como una manifestación del comportamiento colectivo de la materia. Por su carácter colectivo necesitan un medio que se excite para poder existir; como lo necesita el sonido.

Cuando falta la estructura cristalina y entramos en el mundo de los materiales amorfos, el camino libre medio de los fonones se hace muy pequeño, lo que dificulta la propagación de las ondas. En estos materiales amorfos, no hay armonía. Es como una orquesta en la que cada músico toca una pieza distinta.

Los fonones y la conductividad térmica

Uno de los roles más importantes de los fonones es la influencia que tienen sobre la conductividad térmica de los materiales, especialmente en los no metales, ya que en los metales los electrones son quienes más influyen en la conductividad térmica.

Cuando se calienta un material, la energía térmica es absorbida por los átomos, que comienzan a vibrar con más ímpetu. Estas vibraciones se propagan a través del material en forma de fonones, transfiriendo energía térmica de una parte del material a otra.

En general, la conductividad térmica aumenta si los fonones pueden viajar por el material sin muchos obstáculos (defectos, impurezas y bordes en el material). Y si no hay demasiados fonones, claro.

También puede ocurrir que, los fonones pueden colisionar entre ellos y disminuir la conductividad térmica, esto significa que no por mucho aumentar la temperatura va a aumentar la conductividad, esta solo puede alcanzar un máximo que dependerá del material, su estructura, su pureza y las dimensiones.

El conocimiento de la conductividad térmica es fundamental para elegir el material adecuado según queramos materiales térmicamente aislantes, como la madera o los polímeros, o buenos conductores, como el diamante.

Fonones para un futuro mejor

Explorar el mundo de estas cuasipartículas, nos permite desentrañar los misterios que rigen la propagación del sonido y la conductividad térmica de los materiales, y cómo los fonones afectan las propiedades electrónicas de los materiales.

Este paso es de fundamental para el desarrollo de nuevas tecnologías, desde la nanotecnología hasta la electrónica de vanguardia. Y de paso, nos permite descubrir que en lo más profundo de la materia también hay música.

Referencia de la noticia:

Dra. Gloria Anemone, de CUNE en Métodos cuantitativos, Gloria Anemone, profesora contratada, CUNEF, para The Conversation.