Pensándolo bien...

La dialéctica clásico-cuántica cada vez encuentra más procesos, desconocidos hasta ahora, en los que las consecuencias macroscópicas tienen evidencias cuánticas en su subsuelo. Las conjeturas no faltan y, muchas veces sin fundamento, se hacen extrapolaciones, no exentas de audacia novelesca, en la que los humanos nos vemos sumergidos en paraísos desconocidos gobernados por la cuántica. En el ámbito científico, somos más cautos y contenemos la imaginación mientras buscamos mas casos en los que encontrar evidencias de la huella cuántica que explique el proceso observado.

La transición de fase o cambio de fase está asociado a un cambio de propiedades físicas y químicas, como consecuencia, frecuentemente de forma discontinua, como consecuencia de la incidencia de alguna condición externa. En la física clásica la temperatura, presión u otras propiedades determinan, por ejemplo, que un líquido se convierta en gas, con el abrupto cambio de volumen que conlleva. La cuantificación de las condiciones externas en las que tiene lugar la transformación se denomina transición de fase. Las transiciones termodinámicas, ocurren en la Naturaleza de forma “natural” y hoy son objeto de aprovechamiento en muchas tecnologías que se han desarrollado.

La transición de fase cuántica, también denominada punto crítico cuántico, tiene lugar cuando el estado fundamental de un sistema reticular, es decir, representable por un modelo que supone un retículo de N posiciones, como lo es el modelo de Ising, perfeccionado por Onsager y después por Landau. El modelo de Ising representa un conjunto de espines magnéticos interaccionando entre ellos, con tendencia a alinearse de forma paralela o antiparalela en la dirección de un campo magnético uniforme. Un modelo sencillo de comportamiento magnético para describir un material ferromagnético, aunque se puede aplicar a gran variedad de sistemas. El estado fundamental de un sistema reticular presenta un cruce de niveles, que se denomina alternativamente, punto analítico, que incluye, como caso límite, el de cruce evitado extendido a un número infinito de sitios. La diferencia fundamental con las transiciones de fase termodinámica es que el parámetro crítico que domina la transición de fase cuántica no es la temperatura, sino la interacción entre los sitios de la retícula, incluidos en la denominada constante de acoplamiento adimensional que lo caracteriza.

El estudio de transiciones de fase cuántica se inició en la década de los setenta del siglo pasado, como el modelo de Ising incluyendo la presencia de un campo magnético transversal. Se aplicó a sistemas de electrones independientes. Más recientemente se incluyeron modelos que consideraban la interacción inter-electrónica. En los problemas de muchos cuerpos que interactúan, se consideran los casos extremos mediante perturbaciones que responden a intensidades muy fuertes o muy débiles. Pero, las transiciones cuánticas se dan a valores intermedios del acoplamiento.

Los electrones, como es sabido, optan por dos dinámicas de espín. Tienden a emparejarse y la evolución de su dinámica depende de ciertas circunstancias a las que se ven sometidos. Pueden cambiar el sentido del espín condicionando a su pareja de espín a acomodarse. Son procesos bien conocidos y utilizados en aplicaciones cotidianas, como las grabaciones magnéticas. Un mineral especialmente apto para estos procesos es el denominado ferropericlasa y la bridgmanita, una mezcla muy densa de silicatos de hierro y magnesio, que es el mineral más abundante en el manto inferior de la Tierra, que ocupa un volumen en torno al 56% del total de la Tierra y situados entre 660 kilómetros y 2900 debajo de la superficie, a una temperatura entre 1900 y 2600 grados y una presión entre 24 y 127 gigapascales. Sus propiedades macroscópicas se centran en una viscosidad muy elevada que la hace muy rígida y en la tectónica de placas se induce una especial tirantez a medida que se hunden en el interior de la Tierra.

En 2003, los científicos observaron por primera vez en un laboratorio un tipo nuevo de cambio de fase en minerales que fue un cambio de espín en el hierro de la ferropericlasa, una variedad de la forma mineral del óxido de magnesio denominada periclasa, que es el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Un cambio de espín, o cruce de espín, puede darse en minerales como la ferropericlasa, bajo un estímulo externo, como presión o temperatura. En 2006 un grupo de investigación liderado por Renata Wentzcovitch en la Universidad de Columbia formuló  la hipótesis de que la transición de fase de la ferropericlasa debía de producirse también en la que ocupa el manto inferior de la Tierra. En 2014, predijo cómo se podía detectar este fenómeno de cambio de espín mediante imágenes tomográficas sísmicas, pero los sismólogos no pudieron comprobarlo. Ahora han comprobado que es así, como aparece en la publicación de Nature Communications, a finales del pasado año, donde se da a conocer los cruces de espín que tienen lugar en la ferropericlasa del manto inferior.

La cuestión es de la máxima importancia, dado que se propone el cruce de espín como la causa que acelera el movimiento de las placas tectónicas y puede estar en la raíz de la explicación de los procesos geológicos que acontecen por debajo de los 600 kilómetros de profundidad. La única posibilidad de observación es a través de las imágenes tomográficas sísmicas que, en ocasiones, reflejan las transiciones de fase cuánticas. Puede ser una clave del aumento que se observa asociado a los eventos sísmicos, tanto terremotos como erupciones volcánicas. Ciertamente, esta observación es del máximo interés, dado que acceder a procesos que acontecen en el manto inferior, significa poder estudiar una zona en la que la temperatura se acerca al punto de fusión. Del mismo modo, se hace posible la observación de materiales multiferroicos y ferroeléctricos que presentan electrones muy correlacionados y de interés para el estudio a altas temperaturas y presiones.

De esta forma, los terremotos y erupciones volcánicas están relacionados con procesos cuánticos que tienen lugar en las profundidades de nuestro planeta.  Es una audacia, digna de resaltar, detectar que en las profundidades de la Tierra sea una transición de fase la que presione la tectónica de placas, coadyuvando a la frecuencia e intensidad de terremotos y erupciones volcánicas. Los electrones, como nubes, controlan el comportamiento químico de forma natural y son responsables de procesos espontáneos que acontecen en el seno de algunos materiales. La componente contraintuitiva de la Cuántica, no es óbice para que cada vez haya mejores y mas acertadas aproximaciones para comprender los fenómenos naturales. Poco a poco.