LAS DIMINUTAS ESTRUCTURAS DE LA MATERIA

LAS DIMINUTAS ESTRUCTURAS DE LA MATERIA Ricardo Ramírez Facultad de Física, Pontificia Universidad Católica Programa EXPLORA - CONICYT 5 Septiembre 2006

Temas a tratar Introducción Nanotubos. La constitución de la materia. Semiconductores. Diodos. Transistores. Computadores. Spintrónica. Superconductores.

ATOMOS: elementos constituyentes de la materia Desde los siglos V y VI A.C. en Grecia y la India se pensó en un elemento indivisible como el constituyente final de la materia. la palabra átomo significa la división más pequeña posible de la materia. A principios del siglo XIX John Dalton descubrió la primera evidencia científica de la existencia de los átomos. Sólo a fines del siglo XIX y a principios del siglo XX se estableció firmemente no sólo la existencia sino también la constitución de los átomos. Existencia de partículas subatómicas.

ATOMOS: elementos constituyentes de la materia

Microscopio de barrido de tunel

Imágenes de átomos

Nanotubos de carbono PROPIEDADES Mecánicas: 50 veces más fuerte que el acero. Estructuras livianas y fuertes. Eléctricas: Metal o aislador dependiendo de la forma. Como metal es mejor conductor que el cobre y la plata.

Aplicaciones de los Nanotubos Plásticos conductores de la electricidad. Conductividad térmica. Pantallas planas para televisión y computadores Plásticos conductores. Fibras y géneros. Adhesivos y conectores de baja resistencia. Almacenamiento de energía.

Aplicaciones de los Nanotubos Electrónica molecular Materiales térmicos. Estructuras livianas Aplicaciones biomédicas. Filtros para aire y agua. Aplicaciones en ceramicas.

Thomson, 1897 descubre el electrón Usando un tubo de descarga de rayos catódicos, Joseph John Thomson descubre en 1897, la existencia de una partícula de carga negativa que llama electrón. Por este trabajo obtuvo el Premio Nobel en 1906.

El átomo de Bohr A principios del siglo XX muchos científicos se preguntaban cual era la forma del átomo. Hubieron muchos intentos. En 1913 Niels Bohr propuso el modelo de su famoso átomo, que tenía ingredientes que desafiaban la física clásica Modelo simple del atomo de hidrogeno ELECTRON + PROTON

La llegada de la Mecánica Cuántica Werner Heisenberg Erwin Schrödinger Paul A. Dirac En los años 20, a través del trabajo de muchos científicos se logro establecer los fundamentos de una nueva física que se llamó Mecánica Cuántica, la que no está en contradicción con la Clásica, pero permite describir el comportamiento del mundo microscópico.

Naturaleza de la Mecánica Cuántica INTERPRETACION DE COPENHAGUE Naturaleza dual de la materia. Principio de Incertidumbre. Colapso de la función de onda. Principio de exclusión de Pauli.

Difracción de la luz en una lámina con dos ranuras PANTALLA Haz de luz Experimento realizado por Thomas Young en 1803

Difracción de electrones PANTALLA Haz de electrones Experimento realizado por C.J. Davison y H. Germer en 1927

Principio de Incertidumbre Dice que ciertas cantidades físicas, no se pueden medir sin error en forma simultánea. Es decir, mientras más precisa es la medición de una ella, más grande es error que se comete al medir la otra. Por ejemplo la posición y la velocidad de una partícula no pueden ser medidas en forma exacta al mismo tiempo. Esta es una limitación intrínseca de la naturaleza, independiente del instrumento de midición utilizado.

Colapso de la Función de Onda Expresa la idea de que sistema físico se encuentra en un estado indefinido mientras no es observado, pero este colapsa a un estado definido al ser observado. Gato de Schrödinger El experimento de difracción en una placa ilustra esta idea. Mientras no es observado el electron viaja por las dos ranuras en forma de onda y produce una figura de difracción. Pero si uno quiere observar si pasa por una de las ranuras y coloca allí un instrumento, la onda colapsa a un punto en el lugar de observación y desaparece la figura de difracción.

Colapso del estado Electron

Colapso del estado Detector Electron

Niveles de energia n=3 Átomo de hidrógeno n=2 n=1 Energías 1/n 2 Radios de las órbitas n 2

Principio de exclusión No puede haber más de un electrón en el mismo estado Niveles de Energía

Estructura de la materia Niveles de energía Atomo Muchos atomos Cristal

Metales, aisladores y semiconductores Bandas de energia Vacias Semillena Llena Metal Aislador phantom

Metales, aisladores y semiconductores Bandas de energia Vacias Semillena Llena Metal Semiconductor tipo n

Metales, aisladores y semiconductores Bandas de energia Vacias Semillena Llena Metal Semiconductor tipo p

Rectificadores, diodos, triodos Diodo Triodo grilla catodo caliente anodo catodo caliente anodo conectores conectores

Rectificadores, diodos, triodos catodo caliente Diodo anodo catodo caliente Triodo + + anodo conectores _ + conectores _ + _ +

Rectificadores, diodos, triodos catodo + caliente Diodo _ anodo catodo caliente + Triodo _ anodo conectores + _ conectores + _ +

El Primer Transistor Inventado en 1948 por J. Bardeen, W. Shockley y W. Brattain. Muchos dicen que es la más grande invención del siglo XX. Su importancia yace en su posibilidad de miniaturizarse. En los chips utilizados en la microelectrónica se encuentran cientos de millones de ellos. Está presente en prácticamente todos los productos tecnológicos de la actualidad.

Como funciona el transistor n p n p n

Amplicador de Sonido + Bateria _ Parlante

Amplicador de Sonido + Bateria _ n p n Parlante

Magnetismo GRECIA, Magnesia

Magnetismo N S IMAN

Magnetismo N S IMAN con limaduras

Magnetismo Bateria + _ Hans Christian Ørsted, 1820 Corriente electrica

Magnetismo Electron Spin

Spin del electrón La idea del spin del electrón fue introducida en 1925 por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit, estudiantes de Paul Ehrenfest, de 25 y 23 años, respectivamente. El electrón se caracteriza por su masa, su carga eléctrica y su spin. El spin del electrón puede tomar sólo dos valores a los cuales podemos ponerle la etiqueta de 0 y 1 ó 1 y -1.

Semiconductores y spintronica La microeléctronica tiene un vasto uso en la tecnología desde hace 50 años. Depende fuertemente de los semiconductores que se han utilizado que se han utilizado en amplificadores, diodos, puertas lógicas, sistemas de control, etc. Todas estas aplicaciones estan basadas en el transporte de la carga eléctrica del electron para transmitir información en dispositivo. La spintrónica, en cambio, utiliza el spin del electrón, en vez de la carga eléctrica. Existen dos maneras de utilizar el spin del electrón en dispositivos electrónicos. Ejemplos: Grabación de información en discos duros (actual) Utilización del spin del electrón para escribir la información. (futura)

Números en base 2 Números en base 10. Por ejemplo el número 2365 se puede escribir como: 2000 + 300 + 60 + 5 = = 2 10 3 + 3 10 2 + 6 10 1 + 5 10 0 Pero también podemos escribir un número en base 2. Por ejemplo: 7 = 4 + 2 + 1 = 2 2 + 2 1 + 1 = 1 2 2 + 1 2 1 + 1 2 0 en base 2 : 111 6 = 4 + 2 = 2 2 + 2 1 = 1 2 2 + 1 2 1 + 0 2 0 en base 2 : 110 Un caso más complicado: 2365 = 2048 + 256 + 32 + 16 + 8 + 4 + 1 = 2 12 + 2 8 + 2 5 + 2 4 + 2 3 + 2 2 + 2 0 = 1 2 12 + 0 2 11 + 0 2 10 + 0 2 9 + 1 2 8 + 0 2 7 + 0 2 6 + 1 2 5 +1 2 4 + 1 2 3 + 1 2 2 + 0 2 1 + 1 2 0 = en base 2 : 1000100111101

Valvula de spin Está formada por un sandwich de dos capas de materiales ferromagnéticos separados por una capa metálica, de un espesor de alrededor de 3[nm] Informacion en el disco duro magnetizacion fija magnetizacion libre Cabezal de grabacion o lectura + _ Baja resistencia Alta resistencia

Valvula de spin

Spintronica. Futuro La información es almacenada en spines con una dirección particular. Al moverse los electrones transportan la informacion en sus spines. Esta información será leída en el terminal. Es posible reducir la disipación de energía. No requiere semiconductores especiales, se puede implementar en metales como cobre, aluminio o plata. La memoria no es volátil.

Computadores cuánticos Los computadores cuánticos están construídos de tal manera que pueden realizar muchas operaciones al mismo tiempo. Esto se conoce como el paralelismo cuántico y representa uno de los mayores poderes de estos computadores. Operaciones mucho más rapidas. Muy útiles en transmisión encriptada de información. Puede emplear cualquier sistema con dos estados, por ejemplo: spin del electrón o de iones, iones atrapados con tres niveles, junturas Josephson, puntos cuánticos, etc.

Resistencia eléctrica

Debido a la resistencia eléctrica, en los cables de las líneas de transmision se pierde mucha energía en forma de calor, por lo que sería deseable tener cables de resistencia nula. Lo mismo ocurre en generadores, motores, electroimanes, etc.

Superconductividad Kammerlingh-Onnes 1911 Kammerlingh-Onnes después de lograr temperaturas muy bajas (279 o C bajo cero o 4.2 o K ) descubrió que la resistencia de una muestra de mercurio baja a cero a estas temperatura. Esta fué la primera evidencia de la superconductividad

Efecto Meissner-Ochsenfeld Superconductor enfria H=0 / H=0 / enfria

Conducción de electricidad Impureza

Conducción de pares Impureza

Superconductores Sobre una temperatura pierden sus propiedades. Temperatura crítica (T C ). Antes de 1986 T C menor que 23 o K, es decir más baja que 250 o C bajo cero. También pierden sus propiedades con campos magnéticos muy fuertes. Y con corrientes eléctricas muy intensas. Para llegar al estado superconductor es necesario utilizar helio líquido (cerca de 4 o K = 268 o C bajo cero). En 1986 se descubrieron un nuevo tipo de superconductores que tienen Temperatura críticas mucho mayores que las anteriores (hasta 135 o K = 140 o C bajo cero). Con estas temperaturas críticas es posible utilizar nitrógeno líquido que es mucho más barato que el helio líquido.

Aplicaciones de la Superconductividad Electroimanes. Resonancia magnética nuclear. Levitación magnética. Trenes. Japon 1979, 515 Km/hora. Generadores y motores eléctricos. Squids. Campos magnéticos muy pequeños. Aceleradores de partículas. Líneas de transmisión de energía. Futurista. Computadores cuánticos. Futurista. Electrónica superconductora. Futurista.

CONCLUSIONES Los avances científicos de principios del siglo XX hicieron posible la creación de productos tecnolø gicos de alto nivel de sofisticación. El desarrollo tecnológico basados en estos avances científicos se sigue produciendo y hay muchas expectativas de nuevas invenciones en el futuro. El desarrollo de las ciencias básicas es indispensable para crear nuevas tecnologías. Pero para llegar a un producto utilizable por el hombre se requiere de mucho trabajo, muchas veces decenas de años. Ya no es posible, como lo fué hasta fines del siglo XIX, inventar nuevas tecnologías sin un buen conocimiento de ciencias básicas.