Fonón: el sonido del mundo cuántico

Imagine poder escuchar la sinfonía escondida en el interior de los materiales, de todos los materiales, un concierto de vibraciones que da vida a lo que nos rodea. Bienvenido al mundo de los fonones: ellos son los artífices de la música.

La palabra fonón procede del griego phonos, que significa sonido o voz. De ahí viene también, por ejemplo, la palabra teléfono, que significa sonido a distancia.

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.

Precisamente por su carácter colectivo necesitan un medio que se excite para poder existir. Como lo necesita el sonido.

La propagación de la onda en el nanomundo

Desde la música de una guitarra hasta el gruñido de un gorila, cualquier sonido se propaga 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 análogo a lo que hacen las vibraciones de los átomos en un sólido cristalino. Pero ojo, porque los sólidos cristalinos no tienen nada que ver con el cristal de las ventanas: se trata de sólidos con sus átomos muy ordenados periódicamente, en las tres dimensiones, como por ejemplo una lámina de cobre.

Como ocurre con tantas otras cosas en el submundo de los átomos, el sonido de las partículas cuánticas no respeta las mismas leyes que rigen, por ejemplo, el canto de los pájaros o el retumbar de un tambor.

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, es decir, de manera cuantizada.

El mini mundo de los fonones

Cualquier material, visto al microscopio, está compuesto por átomos que se conectan entre sí para adquirir una forma determinada, ya sea una pared o el propio cuerpo humano, desde las uñas hasta las células del corazón. Las moléculas son, de hecho, 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 peculiaridad: ¡nunca se quedan quietos! Vibran alrededor de su posición de equilibrio. En ese momento, comienza la sinfonía.

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.

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.

En esta orquesta no todo es sonido

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 vehemencia.

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.

Sí, los fonones pueden colisionar entre ellos y disminuir la conductividad térmica, así que no por mucho aumentar la temperatura va a aumentar la conductividad. Esta, de hecho, alcanzará un máximo que dependerá de los constituyentes del material, su estructura, su pureza y dimensiones.

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

Una composición para el futuro

Explorar el mundo de estas cuasipartículas no tiene como objetivo escuchar una composición musical jamás oída por el oído humano (aunque no deja de ser una maravillosa idea). Investigarlos nos permite desentrañar los misterios que rigen la propagación del sonido y la conductividad térmica de los materiales, y cómo estas cuasipartículas afectan las propiedades electrónicas de los materiales.

Este conocimiento es de fundamental importancia 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.

Gloria Anemone, Profesor Contratado Doctor de CUNE Universidad, Métodos cuantitativos, CUNEF.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.