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Charla disponible en: http://www.ua.es/personal/jfrossier

De la Mecánica Cuántica al Chip

Joaquín Fernández Rossier, Departamento de Física Aplicada, Universidad de Alicante

3 de Noviembre de 2004Fronteras de la Física

Universidad de Alicante.

Historia del TRANSISTOR• “Historia” de la física del siglo XX (1ra

parte) (según un físico de la “materia condensada” )

• Relación entre ciencia básica y tecnología (mecánica cuántica) (TV, PC, SMS)

Chips, transistores y todo eso

Un aparato cualquiera

Un aparato cualquiera ..... por dentro

Chip= Circuito Integrado

un transistor

¿Qué es un transistor?

• Funcionalmente (I): grifo (amplificador) de corriente

• Funcionalmente (II): “bit”• Estructuralmente: una hetero-estructura de

materiales semiconductores.• Inventado por John Bardeen, Walter Brattain

y Willian Schockley (1947, ATT Labs, USA)

Procesador Pentium=Un Chip con 100 millones de transistores.

1 cm2/108=10-8 cm2= (10-4 cm) (10-4 cm)=(0.1 m)2

¿Cómo hemos llegado hasta aquí?

¿Qué sabían al final del siglo XIX?

•Movimiento de los planetas: mecánica clásica (NEWTON)•Electricidad (rayos, creación y control de la electricidad), magnetismo (imanes, corrientes). •Ondas (Sonido, luz)•Química (Dalton, Lavoisier, Avogadro, Mendeleev) •Termodinámica, Mecánica Estadística (Maxwell, Boltzmann)

¿De qué están hechas las cosas? •¿Existen los átomos?•Propiedades: ¿cantidad, variedad, tamaño, interacciones entre ellos? •Relación entre luz y materia

•Tamaño y origen del universo•ADN, neuronas

¿Qué NO sabían al final del siglo XIX?

Oficina Correos 1900 Oficina Correos 2000

Ordenadores

Tubos Neón

Plástico

M.S.

M.S.

M.S.

J.J. Thompson (1856-1940) descubre el “electrón” (Cambridge, UK)

Premio Nobel Física, 1906

Descubrimiento del electrón.

Medida de e/m

(Cambridge, UK)

J.J. Thompson (1856-1940) descubre el “electrón” (Cambridge, UK)

Premio Nobel Física, 1906

Descubrimiento del electrón. (Cambridge, UK)

•Hay “algo” dentro de la materia con carga negativa y muy ligero•Tiene que haber algo con carga positiva•Primera “partícula” sub-atómica

M. Planck(1858-1947)

Premio Nobel Física, 1918

Cuantización de la energía(Berlin, Alemania)

EspectroEmisión

Cuerpo negroIn

tens

idad

Longitud deonda

Cuantizacíon

NE Constante de Planck

“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”

2 4 6 8 10

2

4

6

8

Cuantizacíon

NE Constante de Planck

“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”

MASA=M

Velocidad v

2

21

mvE

2 4 6 8 10

2

4

6

8

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

12

14

Premio Nobel Física, 1921http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

Explicación del movimiento Browniano

Relación distancia recorrida y número de Avogadro.

Confirmación de teoría atómica Albert Einstein (1879-1955)

Premio Nobel Física, 1921http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

Explicación del efecto fotoeléctrico

Albert Einstein (1879-1955)

Explicación del efecto fotoelectrico

NE Constante de Planck.... OTRA VEZ

Teoría de la Relatividad

Premio Nobel Física, 1921http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

Albert Einstein (1879-1955)

http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

1) Confirmación de la hipótesis atómica2) Confirmación de la hipótesis de Planck3) Crisis del concepto de tiempo absoluto y

reforma de la mecánica de Newton

http://www.physics2005.org/

Medida de la carga de un electrón

Premio Nobel Física, 1923

Robert Millikan (1868-1953)

Observa estructura atómica=Nucleos + electrones

Premio Nobel Química, 1908http://www.rutherford.org.nz/biography.htm

http://people.hofstra.edu/faculty/Terry_L_Brack/courses/chem3a/elements/sld021.htm

Ernerst Rutherford (1871-1937)Cambridge (UK), McGill,Montreal (Canada), (Manchester, UK)

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga

positiva)

Descripción clásica del H

1 2 3 4

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Problemas: 1) estabilidad de los átomos, 2) Espectro de emisión

xx

x

xx

xx

SOLUCION:Cuantización órbitas atómicas

Premio Nobel Física, 1922

Niels Bohr(1885-1962)(Manchester, UK)(Copenhagen, Denmark)

La energía de loselectrones está

cuantizada

I Guerra Mundial

Los electrones se comportan a la vez como ondas y como

partículas.

Premio Nobel Física, 1929

Louis De Broglie (1892-1987)

1921: recapitulando

• 3 hipótesis fenomenológicas– Hipótesis de Planck– Modelo Einstein– Modelo de Bohr

• 1 Principio “filosófico”: De Broglie• Muchos experimentos (Rutherford, Millikan,

Cuerpo negro, átomo hidrógeno)

Formulación de la ecuación generalde la mecánica cuántica.

Premio Nobel Física, 1933

-3 -2 -1 1 2 3

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Erwin Schrodinger(1887-1961) (AUS)Graz, Berlin, Dublin

Un electrón queda completamente descritopor su función de onda.

= Probabilidad de encontrar electrón en x

2)(x

2)(x

Premio Nobel Física, 1932

W. Heisenberg (1901-1976)

Formulación matricialde la mecánica cuántica.Principio de incertidumbre

mvx

El “F=ma” cuántico

),()(),(

2 2

22

txt

ixVx

txme

Ecuación de Schrödinger

Las reglas cuánticas ...

1. Función de onda: descripción más completa2. Cuadrado de función de onda =

PROBABILIDAD de que algo ocurra3. La función de onda = solución de ecuación

de Schrödinger4. Principio de superposición:

21

21

La molécula de Hidrógeno...

Mecánica Cuántica

• Imprescindible para reconciliar hipótesis atómica con experimentos

• Imprescindible para entender estabilidad de la materia• Imprescindible para entender la tabla periódica

(química)• Nos permite entender la naturaleza

a escala atómica

Paradojas: el gato de Schrodinger

muertogatovivogato

Mecánica Cuántica: la teoría de TODO

Química deAtomos y Moléculas(< 10.000 átomos)

Estructura electrónica de sólidos:Metales, aislantes, semiconductoresMagnetismoSuperconductividad.>10.000 átomos

Física Nuclear.Física de Partículas

+ Relatividad

Mecánica Cuántica:la teoría de los sólidos

Estructura electrónica de sólidos:Metales, aislantes, semiconductoresMagnetismoSuperconductividad.>10.000 átomos

¿Qué es un sólido?

Una estructura PERIODICAMENTE

repetida

Metal Aislante

¿Qué pasa con los “semiconductores”?

• Unas muestras conducen y otras no• Portadores de carga positiva• La conductividad depende de la temperatura• El problema de las interfases

Pauli: Semiconductors are the physics of the dirt

Principio de “exclusión”

W. Pauli(1900-1958)Premio Nobel Física, 1945

Sociología de los electrones (I)

E. Fermi (1901-1954)Premio Nobel Física, 1938

Paul Dirac(1902-1984)CambridgeFlorida

Generalizan mecánica estadísticapara el caso de electrones

Mecánica Cuántica de losElectrones en un cristal

Premio Nobel Física, 1952

Felix Bloch 1905-1983(Suiza)

Zonda Prohibida

“Física del estado sólido”

• Arnold Sommerfield (Ale): termodinámica de metales• A. H. Wilson :

• Metales vs aislantes• Semiconductores

• E. Wigner, F. Seitz (Princeton, U.S.) : PRIMER CALCULO REALISTA de la ESTRUCTURA ELECTRÓNICA de un SOLIDO

• J. Bardeen, E. Wigner (Princeton, US): Función de trabajo de un metal (propiedades de superficies)

• J. Shockley, J. Slater (M.I.T., US): estados de superficie

II Guerra Mundial43 Millones de Muertos

•Francis Crick: diseño de minas navales (Porstmouth)•Bohr, E. Fermi, Teller, Feynman: Los Alamos Manhattan Project•J. Bardeen•Schrodinger: refugiado en Dublin “What is life”•Einstein: Princeton (US)

J. Bardeen TRANSISTOR(Bell Labs, NJ, USA)

Willian Schockley, John Bardeen, Walter Brattain (1947, ATT Labs, USA)

Premio Nobel 1956

un transistor•Efecto de las impurezas en la conducción•Propiedades de las interfases•Conducción a través de interfases•Electrones y “huecos”

Premio Nobel Física, 1956(por la invención del transistor)Premio Nobel Física, 1972(por la teoría de la superconductividad)

1951: Whirlwind Computer – The First to Display Real Time Video

Primer ordenador con electrónicaCompletamente transistorizada.

J. Kilby (Texas Instruments, US)inventa el circuito integrado

Premio Nobel Física, 2000

Invención de la nanotecnología“There is plenty of room at the bottom”

Premio Nobel Física, 1965

Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a

pin?

In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms.

R. Feynman (US)(1918-1988)

Procesador Pentium=Un Chip con 100 millones de transistores.

1 cm2/108=10-8 cm2= (10-4 cm) (10-4 cm)=(0.1 m)2

CONCLUSION 1

Compresión de la naturaleza a escala atómica=

Mecánica Cuántica

CONCLUSION 2