En 2019 el mundo incorporará una serie de cambios fundamentales, que no estarán relacionados con la política, la economía o el deporte. Serán cambios técnicos muy significativos dentro de la Metrología: comenzarán a usarse nuevas definiciones para cuatro unidades básicas de medida; el kilogramo, el kelvin, el mol y el ampere.
La nueva definición del ampere permitirá mejorar las mediciones eléctricas en el futuro. Hablamos de medir corriente eléctrica y otras variables eléctricas derivadas, como tensión, resistencia y potencia. Medir bien estas variables permitirá, entre otras cosas, seguir mejorando un objeto que cientos de millones de personas tienen, literalmente, muy a mano a toda hora: los teléfonos celulares.
Ocurre que la tecnología de los semiconductores que se usa en estos dispositivos electrónicos que nos facilitan la comunicación, navegar por Internet, chatear, escuchar música o ver videos, se basan en circuitos integrados y chips semiconductores. Circuitos que, con cada nueva generación que llega al mercado, son más pequeños pero también más potentes, tienen un menor consumo energético y mayor autonomía.
El diseño y la fabricación de chips semiconductores requieren de mediciones y ensayos específicos. Se necesitan corrientes eléctricas de cada vez menor intensidad para que los microchips funcionen correctamente, y la medición de estas corrientes deben ser confiables, algo muy difícil de lograr. En los próximos años se logrará contar con microchips aún más veloces, eficientes y poderosos, pero también más pequeños. La nueva definición del ampere permitirá, entre otras cosas, medir estas pequeñísimas corrientes con patrones de referencia más sólidos y estables.
Larga historia
La corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas eléctricas (electrones) a través de un material conductor, en forma similar al flujo de vehículos por una carretera. El físico francés André Marie Ampere descubrió, en 1820, que cuando circula corriente por dos conductores paralelos, se genera una fuerza entre ellos. Este efecto se denomina ley de Ampere y permitió definir la unidad básica de corriente eléctrica, el ampere, llamada así en su honor.
Un ampere es la intensidad de una corriente eléctrica constante que, mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable, en el vacío y a una distancia de un metro el uno del otro, produce entre estos dos conductores una fuerza igual a 2 ×10−7 N por metro de longitud. (N es el símbolo del newton, unidad de fuerza).
Esta definición fue establecida en 1948 con el propósito de dar una referencia a las mediciones eléctricas. Sin embargo, esta definición presupone un experimento ideal que en la práctica no ha sido posible de concretar; entre otras cosas, porque los conductores deberían mantenerse en el vacío y tener una longitud infinita.
Por eso en la práctica se han venido utilizando como referencia otros efectos, propios de la Física cuántica, descubiertos algunos años después: el efecto Josephson y el efecto Hall cuántico.
En 1962, Brian Josephson anticipó que, al irradiar con microondas dos materiales superconductores separados por una membrana aislante delgada, aparecen escalones de tensión cuantizados, es decir, que sólo pueden aumentar o disminuir en forma de saltos. Este experimento se denomina efecto Josephson y permite reproducir el volt (V), la unidad de tensión eléctrica.
Por su parte, en 1990, el físico Klaus Von Klitzing descubrió el llamado efecto Hall cuántico: cuando un conductor es sometido a bajas temperaturas y fuertes campos magnéticos, su resistencia eléctrica empieza a variar, no de manera continua, sino… ¡adivinaste!, en forma de saltos cuánticos. Esto permite reproducir el ohm (Ω), la unidad de resistencia eléctrica.
Finalmente, la ley de Ohm, que relaciona la corriente eléctrica con la tensión y la resistencia, permite derivar el ampere (unidad de corriente) del volt y del ohm.
El cambio
Esta inconsistencia entre la definición teórica (basada en dos cables paralelos) y la reproducción práctica (a través del efecto Josephson, el efecto Hall y la ley de Ohm) terminó convenciendo a los metrólogos, físicos e ingenieros encargados de mantener y mejorar los sistemas de mediciones, que era necesario definir el ampere de una manera radicalmente nueva, teóricamente consistente y a su vez coherente con los efectos cuánticos. Pero, sobre todo, acorde a las necesidades: que permita alcanzar los niveles de exactitud que demandan tanto la ciencia como las aplicaciones tecnológicas actuales y futuras.
El ampere se definirá en base a una constante universal de la naturaleza: la carga del electrón (e). Claro, primero fue necesario que los científicos se pusieran de acuerdo en cuánto vale e.
El valor numérico exacto fijado para e es 1,602 17 × 10−19 C. El coulomb (C) o unidad de carga eléctrica, no es otra cosa que la multiplicación ampere por segundo (A × s). Por tanto, e = 0,000 000 000 000 000 000 160 217 A × s.
Imaginemos una autopista eléctrica de tráfico bajísimo, donde pasa sólo 1 electrón por segundo. La corriente sería de 0,000 000 000 000 000 000 160 217 A. Para que la corriente fuera de 1 A, deberían pasar 1/0,000 000 000 000 000 016 021 7 electrones por segundo, ¡Poco más de seis trillones!.
A partir de la nueva definición, un ampere es la corriente eléctrica que corresponde al flujo de 1/1,602 176 634 × 10−19 cargas elementales por segundo.
Con el cambio, ya no será necesario recurrir a experimentos teóricos irrealizables y volveremos a la idea fundamental de qué es la corriente eléctrica: flujo de electrones.
Entonces, para realizar físicamente la definición, tendremos que contar “de a uno” los electrones que fluyen, durante un tiempo determinado, por un sistema. Para eso se utilizarán complejos equipos llamados SET (por sus siglas del inglés, Single Electron Tunneling). Para comprender su funcionamiento, imagina que los electrones van corriendo sobre la autopista. Cada vez que uno de ellos pasa por una especie de “puesto de peaje” hay un contador que aumenta en 1 su valor hasta llegar, por ejemplo, a los seis trillones. Ya está; tenemos 1 ampere. (Por supuesto que el experimento no es tan simple, pero esta es la idea básica).
Ventajas y desafíos
La nueva definición dará a los científicos la posibilidad de comparar mediciones sobre una base coherente y estable. En base a la nueva definición del ampere se ve como posible en un futuro próximo diseñar equipos comerciales que “cuenten electrones” y por lo tanto se calibren instrumentos eléctricos que permitan vincular al ampere los resultados brindados por estos instrumentos. Esto evitaría tener que someter estos instrumentos a controles periódicos en otros laboratorios, mejorando su exactitud y los costos industriales.
A su vez, la tecnología SET abre las puertas de otros avances tecnológicos: mejores circuitos integrados que requieren la manipulación individual de electrones. Ya se habla de electrónica molecular, circuitos con lógicas de electrones simples, computación cuántica, y un mundo fascinante de innovaciones.
La tecnología, como los electrones, avanza a velocidad de autopista. Y, como suele pasar, nuevos procesos y productos requieren mejores mediciones que las sustenten y controlen.
Un mundo nuevo está llegando. Mientras tanto, cuando uses tu celular, pensá en cuantas autopistas tiene adentro y todas las mediciones que deben realizarse para asegurar su correcto funcionamiento.
Roque A. Báez (Paraguay), Fernando Kornblit y Enrique Garabetyán (Argentina)
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