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La luz LED demuestra que Einstein se equivocó

Si el mundo se rigiera por la física clásica y no por la cuántica, las bombillas y pantallas LED no podrían existir.

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La larga vida y bajo consumo de las bombillas LED las han convertido en la última moda en iluminación. | Flickr/CC/ Michael Gil

Este año el premio Nobel de Física ha sido el más fácil de explicar de las últimas décadas. Lo voy a intentar con dos palabras: luz LED. Los galardonados han sido los japoneses Isamu Akasaki y Hiroshi Amano y el estadounidense Shuji Nakamura. Pero muchos de vosotros pensaréis que ya hace muchos años que sabíais de la existencia de los LED. Eso se debe a dos motivos. El primero es que el descubrimiento se realizó en 1992 y desde entonces se ha estado perfeccionando. El segundo, que en realidad lo que se ha premiado es el descubrimiento de la luz LED azul. Muchos años antes ya se habían desarrollado LED pero sólo de color rojo, verde o amarillo, y con una intensidad de luz muy baja.

¿Y qué tiene de extraordinario la luz LED? No parece demasiado novedoso el hecho de que algo se encienda cuando se le aplica una corriente eléctrica. Pues la magia del asunto sólo se puede explicar mediante la física cuántica.

Conductores, aislantes y semiconductores

Hace siglos que la ciencia sabía de la existencia de dos grandes grupos de materiales en relación a su comportamiento eléctrico: los conductores, que permiten que la electricidad corra a sus anchas sin poner casi impedimentos y los aislantes que hacen exactamente lo contrario. Sin embargo, en 1833 Michael Faraday documentó un hecho extraño que a la postre supuso el descubrimiento de un nuevo tipo de material que revolucionaría la civilización durante el siglo XX: los semiconductores.

Para la fabricación de los LED se utilizan semiconductores de dos tipos. Si se les aplica un voltaje relativamente bajo (por ejemplo desde una pila) los electrones no tienen la energía suficiente para saltar la barrera que supone la mala conductividad de estos dos materiales. Sin embargo hay electrones que lo consiguen. ¿Pero no acabo de decir que no tenían suficiente energía para saltar? Así es, pero es que la física cuántica nos enseña lo que sucede en la naturaleza de las cosas muy pequeñas, y en ese micromundo la probabilidad lo gobierna todo. Es como cuando tiras una moneda al aire. Será imposible saber si saldrá cara o cruz, pero si la tiras muchísimas veces, inevitablemente, la cara saldrá (aproximadamente) el mismo número de veces que la cruz. Y cuantas más veces la tires, más exacta será esa proporción.

Volviendo a los electrones... Al fenómeno que hace que sólo un porcentaje de ellos pasen se le denomina "efecto túnel" porque es como si abrieran un "atajo" imaginario para poder pasar al otro lado. Sin embargo lo que hace que este proceso se reproduzca en una bombilla es que mientras que esos electrones pasan por su "atajo", emiten mucha luz, y dependiendo de la energía que gasten en el paso del "túnel" así será el color de la luz. Nuestros ganadores del Nobel consiguieron que los electrones al pasar por el "túnel" gastaran la energía justa para que la emisión de luz fuera azul.

Si nuestro mundo de gigantes fuera cuántico…

Supongamos que un niño está montado en un patinete en la parte más alta de una cuesta abajo que se convierte en una enorme y empinada cuesta arriba. Si el niño se lanza, una vez llegue al final de la cuesta abajo comenzará a subir por la enorme cuesta arriba ayudado de la energía que adquirió en la bajada. La física clásica dice que el niño podrá subir como máximo a la misma altura desde la que se tiró. Sin embargo, si nuestro mundo de gigantes se rigiera por la física cuántica el niño podría lanzarse cuesta abajo en muchas ocasiones con la seguridad de que en alguna de ellas conseguiría subir más alto que la altura de la que partió.

De este hecho surge la famosa frase que Einstein pronunció al conocer los pormenores de la física cuántica: "Dios no juega a los dados". No podía creer que la naturaleza se comportara a veces de una forma (haciendo que los electrones no pudieran pasar) y otras, de otra (haciendo que los electrones pasen la barrera del semiconductor). Según su concepción del universo el efecto de una causa debe ser siempre el mismo. ¡Por eso son leyes! Sin embargo la prueba de que Einstein se equivocaba es que ahora estoy escribiendo este artículo en mi portátil. Gracias a los semiconductores, al efecto túnel y la física cuántica.

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