De la Física Cuántica a la Ingeniería Cuántica

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Santiago Pereyra Cruz
hace 7 años
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1 De la Física Cuántica a la Ingeniería Cuántica Gonzalo Gutiérrez D epartamento de Física F acultad de Ciencias, U niversidad de Chile. gonzalo@fisica.ciencias.uchile.cl Colegio Jacques Costeau, Octubre del 2004

niversidad de Chile. gonzalo@fisica.ciencias.uchile.

2 Qué es la Ciencia? 2 Conocer Prever Actuar Se trata de encontrar las leyes que rigen los fenómenos naturales regulares. Método: experimento y teoría

3 3 Física Definición: Ciencia que estudia las propiedades de la materia y la energía, considerando tan sólo los atributos capaces de ser medido.

4 4 Materia según su estado Gas T Líquido Sólido

5 Física del siglo XIX 5 Mecánica clásica Acústica Leyes del movimiento Teoría Gravitación Mecánica de Fluídos Electrodinámica Electricidad Magnetismo Ondas electromagnéticas Termodinámica Tres leyes de la Termodinámica Mecánica Estadística Dos nubes en el horizonte Contadicción entre la Mecánica y la Electrodinámica Nuevos fenómenos (a nivel atómico) sin explicación

Termodinámica Tres leyes de la Termodinámica Mecánica Estadística Dos nubes en el horizonte

6 Orígenes de la nueva física 6 Radiación de cuerpo negro 1900, Planck La energía que entrega una fuente luminosa viene en cuantos (paquetes) de luz Efecto fotoeléctrico 1905, Einstein Efecto Compton 1924, Compton La luz está formada de cuantos o partículas, llamadas Fotones, de energía E=h n

luz Efecto fotoeléctrico 1905, Einstein Efecto Compton 1924, Compton La

7 Espectros atómicos 7 La luz blanca al pasar por un prisma se descompone en colores, que van del rojo al violeta en formas continua: arcoiris La luz emitada por un gas tiene un espectro discreto: solo algunos colores están presentes H Cómo se explica esto?

continua: arcoiris La luz emitada por un gas tiene un espectro

8 Módelo atómico de Bohr : Thomson descubre el electrón, partícula de carga negativa 1911: Rutherford propone su modelo de átomo, con cargas positivas (núcleo) rodeado de cargas negativas (electrones). 1913: Bohr propone su modelo para explicar el espectro atómico, basado en el modelo de Rutherford y la hipótesis cuántica. + -e Fotón emitido

rodeado de cargas negativas (electrones).

9 Mecánica Cuántica I 9 El modelo de Bohr explicaba algunos fenómenos, pero tenía imperfecciones: porque hay sólo ciertas órbitas permitadas?. sólo funciona para el átomo de hidrógeno. 1924: de Broglie postula (teoría) que no sólo la luz, sino toda la materia tiene tanto comportamiento de onda como partícula. 1925: Schrödinger se pregunta: Se puede escribir una ecuación, que al resolverla entregue como solución cuales son los niveles de energía permitidos de electrón en un átomo?

1924: de Broglie postula (teoría) que no sólo la luz, sino toda la materia tiene tanto comportamiento de onda como

10 Mecánica Cuántica II 10 Ecuación de Schrödinger ih Φ t = H Φ Heisenberg, Born, Schrödinger, Jordan, Dirac, Pauli, entre otros inventaron la Mecánica Cuántica como la conocemos hoy, entre los años Esta es una teoría sobre el funcionamiento de los átomos y de los fenómenos a nivel atómico, y junto con la teoría de la relatividad, es la creación más grande de la física en el siglo XX.

Cuántica como la conocemos hoy, entre los años 1925-1928.

11 11 Diferentes escalas de longitud y tiempo ingeniería materiales Física y química electrónico m atómico m microestructural m contínuo >10-3 m tiempo (s) > Å nm µm mm m longitud

10-9 -10-6 m microestructural 10-6 -10-3 m contínuo >10-3 m

12 12 Tabla Periódica de los Elementos Metales alcalinos Metales alcalinos terreos Metales de transición Metales de tierras raras Otros metales Gases nobles haluros Otros no metales

13 Adelantos tecnológicos I : Ondas electromagnéticas a través del océano 1906: producción en masa de automóviles 1919: producción en masa de radio a tubo 1924: se desarrolla la televisión 1935: se inventa la xerografía 1937: se inventa el radar 1939: se inventa la radio FM 1942: se desarrolla el microscopio electrónico 1942: primer reactor nuclear 1945: primera bomba atómica

televisión 1935: se inventa la xerografía 1937: se inventa el radar 1939: se inventa la radio

14 Adelantos tecnológicos II : primera computadora electrónica digital 1947: se inventa el transistor 1958: circuito integrado 1960: se construye el láser 1962: se inventa láser de semiconductores 1967: horno microondas 1970: chip de silicios como memoria de computador 1971: RMN como diagnóstico médico Etc, etc

láser 1962: se inventa láser de semiconductores 1967: horno microondas 1970:

15 Investigación de Materiales 15 Platino sobre níquel: mediante STM se observa que hay reconstrucción de la superficie libre de Platino. Se puede prever eso a partir de los átomos de Pt y Ni y las leyes de la Mecánica Cuántica? Ese es nuestro objetivo: Ingeniería Cuántica

Se puede prever eso a partir de los átomos de Pt y Ni y las leyes

16 16 Investigación de Materiales II -Experimental -Teórica Macroscópica: se miden propiedades en función de parámetros externos tales como presión, temperatura, campo eléctrico y magnético, composición, etc. -se elaboran modelos fenomenológicos que dan cuenta de los propiedades medidas Micróscopica: - se miden propiedades a nivel atómico. -Se elaboran modelos (teorías) partir de sus constituyentes últimos, átomos = electrones + núcleos.

-se elaboran modelos fenomenológicos que dan cuenta de los propiedades medidas Micróscopica: - se miden

17 17 Cadena de Oro Experimento: Se veia el doble de la distancia interatómica a primeros vecinos 2 a 0 Simulación Se hizo un cálculo con MC en las misma condiciones del experimento

18 Nobel de Física Jack S. Kilby "for his part in the invention of the integrated circuit" Herbert Kroemer Zhores I. Alferov "for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and opto-electronics

19 Física en Chile 19 Aprox. 120 físicos activos Carreras: Licenciatura en Física: 4 años Ingeniería Física: 5 años Postgrado: Magister en Física: 2 años Doctor en Física: 4 años

20 Simulación computacional 20 Materiales reales Experimentos Teoría Resultados experimentales Simulación computacional Modelos (reduccionismo) Prueba de la teoría Simulación computacional Prueba del modelo Solubles analíticamente

computacional Modelos (reduccionismo) Prueba de la

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