avances de la tecnologÍa.doc
TRANSCRIPT
1
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA
MONOGRAFÍA
AVANCES DE LA TECNOLOGÍA: NANONECNOLOGÍA SUPERCONDUCTORES, COMPUTADORAS CUÁNTICAS
AUTOR:
CONDORI IPURRI SANTIAGO (ODE AYACUCHO)
2015
1
DEDICATORIA
A mis hijas, porque pese a los
inconvenientes, su apoyo incondicional
es muy importante para este nuevo
proyecto que decidí emprender, las llevo
siempre en mi corazón.
1
AGRADECIMIENTOS
- A la Universidad TELESUP, por
darnos la oportunidad de forjarnos y
ser mejores personas y en
consecuencia mejores
profesionales.
4
INDICE
CAPITULO I
1 Nanotecnología------------------------------------------------------------------------- 6
1.1 Introducción-------------------------------------------------------------------------------- 6
1.2 Historia------------------------------------------------------------------------------------ 6
1.3 Qué es Nanotecnología------------------------------------------------------------------ 7
1.4 Aplicaciones----------------------------------------------------------------------------- 7
1.4.1 Medicina----------------------------------------------------------------------------------- 8
1.4.2 Construcción y desarrollo de materiales-------------------------------------------- 9
1.4.3 Administrar vacunas o fármacos------------------------------------------------------10
CAPITULO II ----------------------------------------------------------------------------------------16
Súper conductores---------------------------------------------------------------------------------15
1. Introducción----------------------------------------------------------------------------- 16
1.2 Historia-------------------------------------------------------------------------------------- 17
1.3 Fenomenología de lo superconductores------------------------------------------- 18
2. Aplicación---------------------------------------------------------------------------------- 21
3. La corriente ------------------------------------------------------------------------------ 22
4. Materiales súper conductores---------------------------------------------------------23
5. Tipos y diferencias de los súper conductores-------------------------------------24
6. Penetración del campo magnético B------------------------------------------------25
7. Aplicación-----------------------------------------------------------------------------------26
7.1 En la superconductividad---------------------------------------------------------------26
7.2 En los electroimanes superconductores--------------------------------------------28
7.3 En la electrónica---------------------------------------------------------------------------29
CAPITULO III------------------------------------------------------------------------------------30
computadora cuántica----------------------------------------------------------------------------30
1. Introducción------------------------------------------------------------------------------ 30
4
2. Historia------------------------------------------------------------------------------------ 32
3. Computadora cuántica---------------------------------------------------------------- 32
3.1 Circuitos para la computación cuántica------------------------------------------- 33
3.2 Funcionamiento--------------------------------------------------------------------------35
3.3 Requerimiento de implementación------------------------------------------------- 36
3.4 Otras aplicaciones---------------------------------------------------------------------- 36
4. Conclusiones----------------------------------------------------------------------------- 40
5. Bibliografía---------------------------------------------------------------------------------42
6. Anexo---------------------------------------------------------------------------------------42
4
CAPITULO I
1. NANOTECNOLOGIA
1.1 INTRODUCCION Al borde de la realidad se gesta una revolución
tecnológica inmensa, a pesar de lo minúsculas que son sus partes. Es allí
donde la materia adquiere fundamento. En este territorio, fuera del
alcance de nuestras miradas, habitan los átomos, y la medida oficial es el
nanómetro, o lo que es lo mismo, una mil millonésima parte de uno de
nuestros metros. Esta historia comenzó en 1959, pero nadie sabe cuándo,
ni cómo, ni dónde va a terminar. Las visiones de un futuro
desencadenado como consecuencia de la manipulación de la materia al
nivel de los átomos, incrustada en la promesa de la revolución de la
nanotecnología, contrasta con la advertencia de quienes nos recuerdan
que los sueños a veces se convierten en pesadillas.
1.2 Historia Uno de los pioneros en el campo de la Nanotecnología es el
Físico estadounidense Richard Feynman, que en el año 1959 en un
congreso de la sociedad americana de Física en Calltech, pronunció el
discurso “There’s Plenty of Room at the Bottom” (Hay mucho espacio ahí
abajo) en el que describe un proceso que permitiría manipular átomos y
moléculas en forma individual, a través de instrumentos de gran precisión,
de esta forma se podrían diseñar y construir sistemas en la nano escala
átomo por átomo, en este discurso Feynman también advierte que las
propiedades de estos sistemas nano métricos, serían distintas a las
presentes en la macro escala. En 1981 el Ingeniero estadounidense Eric
Drexler, inspirado en el discurso de Feynman, publica en la revista
Proceedings of the National Academy of Sciences, el artículo “Molecular
engineering: An approach to the development of general capabilities for
molecular manipulation” en donde describe más en detalle lo descrito
años anteriores por Feynman. El término “Nanotecnología” fue aplicado
por primera vez por Drexler en el año 1986, en su libro “Motores de la
creación: la próxima era de la Nanotecnología” en la que describe una
4
máquina nanotecnológica con capacidad de autoreplicarse, en este
contexto propuso el término de “plaga gris” para referirse a lo que
sucedería si un nanobot autoreplicante fuera liberado al ambiente.
Además de Drexler, el científico Japonés Norio Taniguchi, utilizó por
primera vez el término nano-tecnología en el año 1974, en la que define a
la nano-tecnología como el procesamiento, separación y manipulación de
materiales átomo por átomo.
1.3 Que es Nanotecnología?
Es el estudio y desarrollo de sistemas en escala nano métrica, “nano” es
un prefijo del Sistema Internacional de Unidades que viene del griego
νάνος que significa enano, y corresponde a un factor 10^-9, que aplicado
a las unidades de longitud, corresponde a una mil millonésima parte de un
metro (10^-9 Metros) es decir 1 Nanómetro, la nanotecnología estudia la
materia desde un nivel de resolución nano métrica, entre 1 y 100
Nanómetros aprox. hay que saber que un átomo mide menos de 1
nanómetro pero una molécula puede ser mayor, en esta escala se
observan propiedades y fenómenos totalmente nuevos, que se rigen bajo
las leyes de la Mecánica Cuántica, estas nuevas propiedades son las que
los científicos aprovechan para crear nuevos materiales (Nanomateriales)
o dispositivos nanotecnológicos, de esta forma la Nanotecnología promete
soluciones a múltiples problemas que enfrenta actualmente la humanidad,
como los ambientales, energéticos, de salud (nanomedicina), y muchos
otros, sin embargo estas nuevas tecnologías pueden conllevar a riesgos y
peligros si son mal utilizadas.
1.4 Aplicaciones de la Nanotecnología
La Nanotecnología al definirse en base a la escala (nano escala) y no al
tipo de sistema en estudio, es de carácter transversal y tiene aplicaciones
en todas las actividades del quehacer humano, como medioambiente,
sector energético, medicina, electrónica, exploración espacial,
4
construcción, agricultura, cosmética, etc, es por ello que el impacto de la
Nanotecnología en nuestra sociedad es muy ámplia, y existe consenso de
que Nanotecnología dará origen a la revolución industrial del siglo XXI, tal
como lo dijo Charles M. Vest’s (ex-Presidente del MIT (Massachusetts
Institute of Technology) en un discurso el año 2001. A continuación se
describen algunas de las áreas en donde tiene aplicación la
Nanotecnología. Medio Ambiente Las aplicaciones de la Nanotecnología
en el medio ambiente, involucran el desarrollo de materiales, energías y
procesos no contaminantes, tratamiento de aguas residuales,
desalinización de agua, descontaminación de suelos, tratamiento de
residuos, reciclaje de sustancias, nano sensores para la detección de
sustancias químicas dañinas o gases tóxicos. Energía Las aplicaciones
de la Nanotecnología en sector energético, tiene relación con la mejora de
los sistemas de producción y almacenamiento de energía, en especial
aquellas energías limpias y renovables como la energía solar, o basadas
en el Hidrógeno, además de tecnologías que ayuden a reducir el consumo
energético a través del desarrollo de nuevos aislantes térmicos más
eficientes basados en nano materiales. El aumento de la eficiencia de los
paneles solares y placas solares gracias a nano materiales especializados
en la captura y almacenamiento de energía solar.
1.4.1 Medicina
Las aplicaciones de la Nanotecnología en Medicina se denomina Nano
medicina, y dentro de ella tenemos el desarrollo de nano transportadores
de fármacos a lugares específicos del cuerpo, que pueden ser útiles en el
tratamiento del Cáncer u otras enfermedades, biosensores moleculares
con la capacidad de detectar alguna sustancia de interés como glucosa o
algún biomarcador de alguna enfermedad, nanobots programados para
reconocer y destruir células tumorales o bien reparar algún tejido como el
tejido óseo a raíz de un fractura, nano partículas con propiedades
antisépticas y desinfectantes, etc.. Industria de Alimentos Las
aplicaciones de la Nanotecnología en la industria de Alimentos incluye
aplicaciones de nano sensores y nano chips útiles en el aseguramiento de
4
la calidad y seguridad del alimento, dispositivos que funcionen como nariz
y lengua electrónica, detección de frescura y vida útil de un alimento,
detección de microorganismos patógenos, aditivos, fármacos, metales
pesados, toxinas y otros contaminantes, desarrollo de Nano envases,
Nano alimentos con propiedades funcionales nutritivas y saludables, o
con mejores propiedades organolépticas. Textil Desarrollo de tejidos que
repelen las manchas y no se ensucian y sean auto limpiables, anti olores,
incorporación de nano chips electrónicos que den la posibilidad de cambio
de color a las telas, o bien el control de la temperatura, estos últimos
están dentro de lo que se llama “tejidos inteligentes”
1.4.2 Construcción Desarrollo de Materiales (Nanomateriales)
Más fuertes y ligeros, con mayor resistencia, vidrios que repelen el polvo,
humedad, pinturas con propiedades especiales, materiales
autorreparables, etc. Electrónica Las aplicaciones de la Nanotecnología
en la electrónica comprenden el desarrollo de componentes electrónicos
que permitan aumentar drásticamente la velocidad de procesamiento en
las computadoras, creación de semiconductores, nano cables cuánticos,
circuitos basados en Grafeno o Nanotubos de Carbono. Tecnologías de la
comunicación e informática Las aplicaciones de la Nanotecnología en las
tecnologías de la comunicación e informática, comprende el desarrollo de
sistemas de almacenamiento de datos de mayor capacidad y menor
tamaño, dispositivos de visualización basados en materiales con mayor
flexibilidad u otras propiedades como transparencia que permitan crear
pantallas flexibles y transparentes, además el desarrollo de la
computación cuántica. Agricultura Las aplicaciones de la Nanotecnología
en la Agricultura, tienen relación con mejoras en plaguicidas, herbicidas,
fertilizantes, mejoramiento de suelos, nano sensores en la detección de
niveles de agua, Nitrógeno, agroquímicos, etc... Ganadería Las
aplicaciones de la Nanotecnología en la Ganadería dicen relación con el
desarrollo de Nano chips para identificación de animales, Nano partículas
para
4
1.4.3 Administrar vacunas o fármacos
Nano sensores para detectar microorganismos y enfermedades además
de sustancias tóxicas. Cosmética Las aplicaciones de la Nanotecnología
en la cosmética implican el desarrollo de cremas antiarrugas o cremas
solares con nano partículas. AVANCES EN LA NANOTECNOLOGIA
Pronóstico del mercado de la nanotecnología para el 2014 En los
próximos años, la nanotecnología está llamada a desempeñar un papel
fundamental en diversos segmentos de la industria. La evolución de esta
tecnología ha influido ya en un gran número de segmentos industriales y
la actividad económica generada a partir de ella ha sido de gran magnitud
y amplio alcance. Los productos basados en nanotecnología, que han
tenido un enorme impacto en casi todos los sectores industriales, están
llegando ahora al mercado de los consumidores con gran fuerza. De
acuerdo con las conclusiones del último informe, el aumento de las
aplicaciones de la tecnología en sectores como la electrónica, la
cosmética y la defensa, impulsaría el crecimiento del mercado mundial de
la nanotecnología, que se prevé que crecerá a una tasa compuesta anual
de alrededor del 19% durante el período 2011-2014. De acuerdo con el
informe "Nanotechnology Market Forecast to 2014", las compañías del
campo de la electrónica están buscando nuevas formas de incorporar la
nanotecnología en productos de consumo como los equipos de música y
los teléfonos móviles, con el fin de mejorar sus capacidades de
procesamiento. Del mismo modo, la tecnología podría ayudar a mejorar
los cosméticos cambiando sus propiedades físicas. También se observó
que el uso de la nanotecnología en tecnologías de defensa proporciona
un mejor rendimiento a menor coste. Además, la tecnología en ciernes ha
revolucionado el cuidado dental, dado que disminuye el tiempo de
cicatrización y mejora la integración ósea en los implantes dentales.
El informe analiza en detalle estas áreas de aplicación y las tendencias
clave del mercado. A pesar de que los nano materiales seguirán
4
dominando el mercado de la nanotecnología en los próximos años, se
estima que los nano dispositivos, en los que se incluyen las herramientas
de nano litografía para la fabricación de la próxima generación de
semiconductores, crecerán a un ritmo mucho más rápido que los nano
materiales en un futuro próximo. El análisis crucial a nivel nacional,
incluido en esta exhaustiva investigación, identificó que los EE.UU. es el
mercado de nanotecnología más destacado del mundo y seguirá
disfrutando de la mayor porción de la industria global. Además de esto, el
informe trata la financiación mundial de I + D en nanotecnología,
incluyendo la separación de financiación empresarial, pública y de capital
riesgo, junto con su pronóstico. También se ha tratado el análisis regional
de los diferentes tipos de financiación para el presente y el futuro. El
informe abarca incluso un análisis a nivel nacional de la financiación de I +
D para proporcionar un conocimiento profundo acerca de las inversiones
relacionadas con la nanotecnología. Con el fin de ofrecer una visión
equilibrada del mercado mundial de la nanotecnología a los clientes, el
informe también incluye los perfiles de los principales participantes del
sector, como Altair, Nanophase Tech y Nanosys, entre otros. En general,
el objetivo del estudio es ayudar a los clientes a conocer las perspectivas
del sector y tomar decisiones de inversión en función de ellas.
Los ingenieros de Stanford perfeccionan los nanotubos de carbono (CNT)
para lograr una computación de alta eficiencia energética De acuerdo con
estos ingenieros, los circuitos basados en CNT podrían proporcionar una
mejora de hasta diez veces en la eficiencia energética con respecto a los
de silicio. Cuando se mostraron los primeros transistores de nanotubos
rudimentarios en 1998, los investigadores imaginaron una nueva era de
dispositivos electrónicos informáticos avanzados y altamente eficientes.
Sin embargo, esa promesa todavía no se ha hecho realidad debido a
importantes imperfecciones en los materiales inherentes a los nanotubos
que han llevado a los ingenieros a preguntarse si algún día los nanotubos
de carbono resultarían viables. Aunque han habido logros importantes en
los circuitos de CNT con el paso de los años, éstos se han producido
4
sobre todo a nivel de nanotubos individuales. Continúa habiendo al menos
dos grandes barreras para que los nanotubos de carbono se puedan
aprovechar en tecnologías que tengan un impacto en la práctica:
La alineación “perfecta” de los nanotubos ha resultado prácticamente
imposible de lograr, introduciendo vías de conducción perjudiciales y
fallos de funcionalidad en los circuitos.
La presencia en los circuitos de CNT metálicos (frente a los deseables
CNT semiconductores) conduce a cortocircuitos, fugas de energía
excesivas y susceptibilidad al ruido. Hasta el momento, ninguna técnica
de síntesis de CNT ha logrado producir exclusivamente nanotubos
semiconductores. En los últimos años, un equipo de ingenieros de
Stanford asumió el reto. Al darse cuenta de que la mejora de los procesos
por sí sola nunca superará estas imperfecciones, los ingenieros lograron
eludir las barreras con un paradigma de diseño único inmune a la
imperfección para producir las primeras estructuras de lógica digital a
escala de oblea completa a las que no le afectan los CNT desalineados y
mal posicionados. Además, resolvieron los problemas de los nanotubos
de carbono metálicos con la invención de una técnica que elimina estos
elementos indeseados de sus circuitos. A continuación, los ingenieros
demostraron las posibilidades de sus técnicas creando los componentes
esenciales de los sistemas digitales integrados: circuitos aritméticos y
almacenamiento secuencial, así como los primeros circuitos integrados
monolíticos tridimensionales con niveles extremos de integración. Estos
circuitos de nanotubos robustos de alta calidad son inmunes a los
defectos de los materiales que han dejado perplejos a los investigadores
durante más de una década, un difícil obstáculo que ha impedido una
adopción más amplia de los circuitos de nanotubos en el sector. El
avance representa un hito importante hacia los sistemas integrados a
gran escala (VLSI, por sus siglas en inglés) basados en nanotubos.
Además, el enfoque de diseño de Stanford no sacrifica prácticamente
nada de la eficiencia energética de los nanotubos de carbono y es
compatible con los métodos de fabricación y las infraestructuras
4
existentes, impulsando a la tecnología a dar un paso importante hacia la
comercialización, según señalaron los ingenieros. Regulación de la
nanotecnología La primera mina de asbesto se abrió en Quebec en 1874.
En los años 50, el asbesto (también conocido como amianto) fue
ampliamente utilizado como aislante, material ignífugo y nieve artificial.
Hoy en día, sabemos que las fibras de asbesto pueden introducirse en los
pulmones y causar asbestosis, cáncer de pulmón y mesotelioma. Aunque
las preocupaciones sobre la seguridad del asbesto surgieron alrededor de
1900, su uso no fue prohibido por completo hasta 1999. Las tecnologías
nuevas y emergentes (como la modificación genética, la biología sintética
y la nanotecnología) ofrecen la posibilidad de un futuro más limpio, más
sano y mejor. Sin embargo, los riesgos de estas tecnologías no se
conocen.
Se estima que hay más de 1.000 productos con nanotecnología que ya
están en el mercado: desde pelotas de tenis a protectores solares o
calcetines sin olores. ¿Mirarán las generaciones futuras hacia atrás a
nuestra actual ola de innovación científica del mismo modo en que
nosotros vemos la introducción del asbesto en el mercado? A medida que
las sustancias químicas se hacen más pequeñas, sus comportamientos y
características pueden cambiar, y determinados nano materiales poseen
propiedades que no se encuentran en sus equivalentes a tamaño natural.
La forma nano métrica del oro puede ser roja o azul; el platino es inerte a
tamaño natural y, en cambio, actúa como catalizador a nano escala; etc.
Estas nuevas propiedades que poseen los nano materiales pueden dar
lugar a nuevas formas de riesgo. Los riesgos potenciales de la
nanotecnología son a la vez desconocidos e incognoscibles.
Desconocidos porque hasta la fecha apenas se ha llevado a cabo una
evaluación de los riesgos (menos del 2% del dinero invertido en la
investigación relacionada con la nanotecnología se dedica al análisis de
riesgos); e incognoscibles, porque los conocimientos científicos sobre la
evaluación de productos químicos no ha seguido el ritmo de los
4
conocimientos científicos en nanotecnología. En pocas palabras,
actualmente no somos capaces de evaluar todas las propiedades
inherentes de todos los Nano materiales. Además, las iniciativas de
regulación para controlar el uso de la nanotecnología han sido limitadas.
Hay lagunas en los actuales marcos regulatorios que hacen que la
nanotecnología no esté cubierta en su totalidad. Algunas de estas lagunas
existen debido a una noción equivocada de que los nano materiales son
equivalentes a sus iguales a tamaño natural. Otras lagunas se deben a
que la legislación se basa en umbrales o concentraciones. Dado que la
nanotecnología es la tecnología de lo diminuto, utilizar umbrales de
regulación implica que la mayoría de la nanotecnología va a estar por
debajo del tonelaje correspondiente o los criterios de concentración y, por
lo tanto, evitará la regulación.
A partir de 2013, el Reglamento de Cosméticos de la UE exige que
cualquier cosmético que contenga Nano materiales lo indique en la
etiqueta. Aunque la obligación es limitada: bastará con poner "(nano)"
junto al ingrediente correspondiente en la lista de ingredientes. Sin
embargo, el etiquetado de productos nano ha sido rechazado en otras
jurisdicciones por su ineficacia. Basta con que nos preguntemos cuándo
fue la última vez que examinamos la lista de ingredientes de un producto.
La regulación de la nanotecnología es difícil. Es necesario alcanzar un
equilibrio entre sus beneficios y sus riesgos potenciales. También es muy
importante el modo en que nosotros, como sociedad, hacemos frente a la
incertidumbre, respondemos a la innovación científica y enmarcamos el
debate sobre el riesgo y la regulación. Como vimos con el asbesto, podría
marcar la Utilizan la nanotecnología para capturar patógenos ocultos
Unos investigadores de la Universidad de Florida Central han desarrollado
una técnica novedosa que podría proporcionar a los médicos una
herramienta más rápida y más sensible para la detección de patógenos
asociados con la enfermedad inflamatoria intestinal, incluida la
enfermedad de Crohn. La nueva técnica basada en nano partículas
también se puede utilizar para la detección de otros microbios que han
4
desafiado a los científicos durante siglos debido a que se esconden
profundamente en el tejido humano y son capaces de reprogramar las
células para evadir con éxito al sistema inmunológico. Los microbios
reaparecen años más tarde y pueden causar problemas de salud graves,
como se ha visto en casos de tuberculosis. Actualmente existen métodos
de prueba para encontrar estos microbios ocultos, pero requieren mucho
tiempo para completarse y, a menudo, retrasan la administración de un
tratamiento eficaz durante semanas o incluso meses. El Profesor
Asociado de la UCF J. Manuel Pérez y el profesor Saleh Naser y su
equipo de investigación han desarrollado un método que utiliza nano
partículas recubiertas con marcadores de ADN específicos para los
patógenos escurridizos. La técnica es eficaz y más precisa que los
métodos actuales, al detectar incluso pequeñas cantidades de un
patógeno. Más importante aún, tarda horas en lugar de semanas o meses
en ofrecer los resultados, pudiendo proporcionar a los médicos una
herramienta más rápida para ayudar a los pacientes. El trabajo de
investigación del grupo ha sido publicado recientemente en la revista
PLoS ONE. Congreso sobre el impacto económico de la nanotecnología
Simposio para explorar los impactos económicos de la nanotecnología
Expertos de todo el mundo participarán en el Simposio Internacional de
Evaluación del impacto económico de la nanotecnología que tendrá lugar
el próximo mes. El Simposio está organizado por la American Association
for the Advancement of Science (Asociación Americana para el Avance de
la Ciencia). El 10 de febrero se abre el registro para el Simposio
Internacional de Evaluación del impacto económico de la nanotecnología ,
un encuentro de alto nivel organizado por la Asociación Americana para el
Avance de la Ciencia (AAAS, por sus siglas en inglés) y patrocinado por la
Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo en
colaboración con la National Nanotechnology Initiative (Iniciativa Nacional
de Nanotecnología) de los EE.UU. Oradores de todo el mundo
participarán en el acto que se celebrará los días 27 y 28 marzo en las
instalaciones de la AAAS en Washington, Distrito de Columbia. El
4
encuentro tiene el objetivo de evaluar las metodologías empleadas para la
evaluar el impacto de la nanotecnología en economías completas,
teniendo en cuenta la influencia de productos y materiales nuevos y de
reemplazo, de los nuevos mercados, los productos intermedios y finales y
el empleo. La lista de oradores confirmados incluye a Gregory Tassey, del
Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of
Standards and Technology); Mark Morrison, del Instituto británico de
Nanotecnología (Britain's Institute for Nanotechnology); Kazunobu
Tanaka, de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (Japan Science
and Technology Agency); José Molapisi, del Departamento de Ciencia y
Tecnología de Sudáfrica (South Africa's Department of Science and
Technology); Julia Lane, de la Fundación Nacional para la Ciencia
(National Science Foundation); Travis Earles, gerente de Iniciativas de
Materiales Avanzados y Nanotecnología (Advanced Materials &
Nanotechnology Initiatives) en Lockheed Martin; y Kristen Loughery, de la
EPA, entre otros.
Capitulo II
SUPERCONDUCTORES
1. INTRODUCCION.
La superconductividad es un fenómeno que denota el estado en el cual
la resistencia eléctrica de ciertos materiales de forma repentina hasta
llegar a cero. La temperatura por debajo de la cual la resistencia
eléctrica de un material se aproxima a cero absolutos se denomina
temperatura crítica (Tc). Por encima de esta temperatura, al material se
conoce como normal, y por debajo de Tc, se dice que es
superconductor. Además de la temperatura el estado superconductor
También depende de otras variables, como son el campo magnético
(B) y la densidad de corriente (J). De este modo, para que en material
sea superconductor, la temperatura critica del material, su campo
magnético y su densidad de corriente no deben ser superadas de unos
4
valores específicos para cada caso, ya que para cada material,
superconductor existe una superficie crítica en el espacio de T.B. y J.
Para ilustrar lo dicho anteriormente presentamos la siguiente gráfica,
donde se representa la resistividad de un material normal respecto a la
temperatura, el cobre, frente a un material superconductor, como el
mercurio. Podemos observar como la resistividad del material
superconductor cae bruscamente hasta un valor casi inapreciable,
mientras que la resistividad eléctrica del cobre decrece uniformemente
mientras disminuye la temperatura, y alcanza un valor mínimo a 0ºK.
Como anunciamos anteriormente la superconductividad depende del
campo magnético puesto que si un campo magnético suficientemente
fuerte se aplica a un superconductor a cualquier temperatura que este
por debajo de su temperatura crítica (Tc), el superconductor retorna a
su estado normal. El campo magnético aplicado necesario para
restablecer la conductividad eléctrica normal en el superconductor se
denomina campo crítico (Hc)
1.2 Historia
El descubrimiento Ya en el siglo XIX se llevó a cabo diversos
experimentos para medir la resistencia eléctrica a bajas temperaturas,
siendo James Dewar el primer pionero en este campo. Sin embargo, la
superconductividad como tal no se descubriría hasta 1911, año en que
el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observó que la resistencia
eléctrica del mercurio desaparecía bruscamente al enfriarse a 4 K (-269
°C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente
hasta el cero absoluto. Gracias a sus descubrimientos, principalmente
por su método para lograr la producción de helio líquido, recibiría dos
años más tarde el premio Nobel de física. Durante los primeros años el
fenómeno fue conocido como supraconductividad. En 1913 se
descubre que un campo magnético suficientemente grande también
destruye el estado superconductor, descubriéndose tres años después
la existencia de una corriente eléctrica crítica. Puesto que se trata de
4
un fenómeno esencialmente cuántico, no se hicieron grandes avances
en la comprensión de la superconductividad, puesto que la
comprensión y las herramientas matemáticas de que disponían los
físicos de la época no fueron suficientes para afrontar el problema
hasta los años cincuenta. Por ello, la investigación fue hasta entonces
meramente fenomenológica, como por ejemplo el descubrimiento del
efecto Meissner en 1933 y su primera explicación mediante el
desarrollo de la ecuación de London dos años más tarde por parte de
los hermanos Fritz y Heinz London.
1.3 FENOMENOLOGÍA DE LOS SUPERCONDUCTORES
Los conductores normales presentan pérdidas cuando circulan corrientes
en su interior. Esto se debe a que la resistencia que poseen al paso de
una corriente eléctrica, transforma parte de la energía eléctrica en energía
térmica. Sin embargo, algunos materiales se comportan de forma extraña
a muy bajas temperaturas. Estos materiales, denominados
"superconductores", cuando son sometidos a una temperatura mayor que
una cierta temperatura crítica (diferente para cada material) presentan alta
resistencia, por lo general mucho mayor que un conductor normal y de
esta manera decimos que el material se encuentra en su "estado normal".
Por el contrario, por debajo de la temperatura crítica presentan un
fenómeno en el cual la resistencia eléctrica disminuye rápidamente hasta
llegar a cero, decimos entonces que el material se encuentra en su
"estado superconductor". Otra de las propiedades que caracteriza a estos
materiales es la expulsión de campo magnético en el estado de
superconducción conocida más comúnmente como el Efecto Meissner.
Esta última es la propiedad esencial del estado superconductor. Cuando
el material pasa del estado normal al estado superconductor, el cambio en
la resistividad puede ser muy abrupto y se produce lo que en física se
denomina "cambio de fase". Si miramos el material a una temperatura
mayor que la crítica, encontraremos propiedades marcadamente distintas
4
a las que veremos a temperaturas menores que la crítica. Existen varios
tipos de cambios de fase como por ejemplo el cambio de fase que se
produce cuando enfriamos un recipiente con agua: si llegamos a enfriarlo
lo suficiente (por debajo de 0ºC), veremos que el agua simplemente se
congela.
Las propiedades del agua a 25ºC y a -10ºC son claramente diferentes.
Algo parecido ocurre en el cambio de fase superconductor, solo que las
propiedades que cambian en la transición son propiedades eléctricas y
magnéticas, y no propiedades estructurales como en el ejemplo del agua.
Es más, para el caso de los metales que al enfriarlos se vuelven
superconductores, se sabe que en la transición no hay cambio en la
estructura cristalina ni en las propiedades elásticas del material. Las
propiedades que cambian en la transición del estado normal al estado
superconductor son principalmente las propiedades magnéticas. En el
estado superconductor puro prácticamente no hay penetración de flujo
magnético en el material y los efectos termoeléctricos desaparecen. Se
han encontrado diferentes materiales que se vuelven superconductores
por enfriamiento, cada uno a su temperatura crítica propia. Algunas
temperaturas críticas son de apenas unos pocos grados Kelvin (recordar
que 0ºK corresponde a -273ºC), implicando un esfuerzo tecnológico
importante el acceder a tan bajas temperaturas; en los últimos años ha
sido posible diseñar materiales cuyas temperaturas críticas rondan las
decenas de grados Kelvin, lo que en cierta medida facilita su estudio y
utilización. Hay fundamentalmente dos razones por las que estos
materiales despiertan tanto interés. La primera es de índole económica.
Para hacer uso de las propiedades superconductoras de un material hay
que enfriarlo por debajo de una temperatura crítica. Cuanto más baja sea
la temperatura a la que se deba trabajar, mayores serán los costos de
refrigeración. Si para alcanzar el estado de superconductividad debe
operarse a temperaturas inferiores a los 20 K, es necesario emplear helio
líquido. A temperaturas más altas se puede trabajar con hidrógeno, pero
4
por encima de 80 K se puede usar aire líquido, uno de los materiales
refrigerantes más baratos que existen. Cuando se superen ciertos
inconvenientes de carácter técnico, los nuevos superconductores se
podrán emplear a escala industrial sin mayores costos de refrigeración.
Pero hay una segunda razón por la que los físicos están interesados en
estos materiales. Hoy, después de algo más de un año de trabajo, hay
una generalizada convicción de que se está frente a un nuevo fenómeno
físico. La teoría que consiguió explicar el comportamiento de lo que
podemos llamar "superconductividad convencional", no puede hacerlo
propio con la superconductividad a temperaturas tan altas. Los
mecanismos que dan origen a la superconductividad en estos nuevos
materiales son probablemente distintos a los conocidos. Si esto es así, los
físicos se encuentran frente a un gran desafío: comprender y explicar a
qué se debe la superconductividad de alta temperatura crítica. ¿Para qué
se usa un Superconductor? Posibles aplicaciones de los
superconductores. Antes de realizar una descripción de los usos actuales
y futuros de los superconductores les recomiendo que vean el siguiente
video donde se realiza una interesante demostración del uso de los
mismos en trenes magnéticos. Súper Tren Magnético!!! Hasta ahora, la
principal utilidad de un superconductor es la producción de campos
magnéticos muy intensos (del orden de miles de veces del campo
magnético del imán de la heladera). Estos campos tienen importantes
aplicaciones en medicina (RMN), frenos magnéticos, aceleradores, etc.
Por otro lado, los campos magnéticos intensos son necesarios para
controlar los reactores de fusión nuclear, aún experimentales, que serían
una forma alternativa de producción de energía no contaminante.
Además, la posibilidad de tener materiales con resistencia nula permitiría
almacenar eficientemente energía eléctrica.
2. APLICACIÓN
4
La aplicación más importante por el momento es la producción de campos
magnéticos, que se emplean, principalmente, en los laboratorios de física
con fines de investigación. Dentro de la investigación en el campo de la
física, también se utilizan electroimanes superconductores para generar
campos magnéticos altamente estables, útiles en los estudios de la
resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica de alta
resolución. Son también utilizados en las cámaras de burbujas que sirven
para la detección de partículas y que requieren campos magnéticos muy
intensos. Desde el punto de vista comercial, se cree que los motores y
generadores superconductores tendrán enormes consecuencias en lo
social y económico. También se desea utilizar electroimanes súper
conductores para la levitación de trenes de transporte de pasajeros o de
carga y a menos que investigaciones futuras indiquen lo opuesto, parece
que no existen problemas técnicos fundamentales con este sistema. Sin
embargo, se requieren algunas innovaciones técnicas antes de poder
completar un diseño comercial. El descubrimiento de materiales
superconductores cerámicos con una elevada temperatura crítica hace
aún más atractiva la idea de la utilización de materiales superconductores
para la transportación masiva (ver figura). Cuando menos ya no se
requerirá enfriar a temperatura de helio líquido, bastará con la
refrigeración que proporciona el nitrógeno líquido. Claro que aún sigue la
búsqueda de materiales cerámicos superconductores de temperatura
crítica superior a la temperatura ambiente y, si se logra hallarlos, ya no
será necesaria la refrigeración del sistema, reduciéndose así los costos
de construcción y operación. Por otro lado, desde el descubrimiento del
llamado efecto Josephson y el desarrollo alcanzado en el campo de los
circuitos integrados trajeron como consecuencia una perspectiva
espléndida de aplicaciones de la superconductividad en la electrónica. El
efecto Josephson consiste en el paso de corrientes superconductoras a
través de una unión que, normalmente y desde un punto de vista clásico,
no debería dejar pasar ningún electrón. Es un fenómeno típicamente
cuántico, explicable por la mecánica cuántica.
4
3. LA CORRIENTE
“la corriente Josephson está presente aun en ausencia de un voltaje
aplicado a la unión” (que recibe el nombre de unión túnel). Esta corriente
de voltaje cero depende fuertemente de un campo magnético aplicado.
Estas características permiten disponer de un interesante interruptor para
circuitos lógicos. Este efecto también se observa, desde luego, en los
nuevos materiales superconductores cerámicos. Para las computadoras,
el uso de dispositivos de efecto Josephson lleva a tiempos de
transferencia de corriente extremadamente breves. Los tiempos de
respuesta de un interruptor de efecto Josephson son de 5 a 10
picosegundos (un picosegundo es igual a 0.000000000001 segundos). La
dificultad de la aplicación del efecto Josephson radica en la elaboración
de la unión en donde se da este efecto. Dicha unión ha de construirse con
capas de óxido de unos 30 angstroms y, además, las características han
de ser estables ante ciclajes térmicos y almacenamiento. Sin embargo, su
utilización parece muy ventajosa y polifacética. El SQUID (dispositivo
superconductor de interferencia cuántica, por sus siglas en inglés) es uno
de los dispositivos superconductores más utilizados. Existen dos tipos de
este dispositivo: el SQUID de corriente directa (cd) y el SQUID de radio
frecuencia (rf). Son los instrumentos más sensibles que existen para
medir una gran variedad de cantidades físicas: campos magnéticos,
cambios espaciales de campos magnéticos, susceptibilidades
magnéticas, voltajes muy pequeños y desplazamientos microscópicos.
Aunque, por ahora, es demasiado pronto para que estos dispositivos
tengan una gran repercusión en aplicaciones prácticas, dentro de la
próxima década se espera un gran auge, tanto en la variedad de estos
dispositivos superconductores como en la variedad de sus aplicaciones.
Una de la más novedosa es en biomagnetismo, donde se utilizan para
detectar especialmente las fuentes de los pequeñísimos campos
magnéticos generados por el cerebro.
4. MATERIALES SUPERCONDUCTORES
4
Existen muchos materiales que se vuelven superconductores al bajar la
temperatura. Algunos tienen una composición muy sencilla, son
elementos químicos como el plomo o el aluminio; otros involucran varios
elementos y hay que prepararlos en el laboratorio. Si nos fijamos en la
respuesta de un superconductor a un campo magnético podemos
clasificar los materiales en superconductores de tipo-I y superconductores
de tipo-II Debido a la repulsión de Coulomb los electrones generalmente
se repelen. Para que se formen los pares de Cooper es necesario que, de
forma efectiva, los electrones se atraigan. Aunque en todos los
superconductores se forman pares de Cooper la razón por la que se
forman estos pares no parece ser la misma en todos ellos. Una
clasificación diferente de los superconductores se fija en el origen de la
superconductividad y clasifica a los superconductores en súper
conductores convencionales y superconductores no-convencionales.
Según la teoría BCS de 1957 la interacción de los electrones con las
vibraciones de la red de iones resulta de forma efectiva en una interacción
atractiva entre los electrones gracias a la cual se forman los pares de
Cooper y la superconductividad. En algunos materiales como el plomo o
el aluminio esta teoría explica bien los resultados experimentales. Sin
embargo, existen materiales, entre los que se incluyen los
superconductores de alta temperatura, en los que las interacciones de
red, al menos por sí solas, no parecen ser las responsables de la
superconductividad en estos sistemas. Hablamos de superconductores
convencionales si la formación de los pares de Cooper está mediada por
las vibraciones de la red de átomos (fonones) y de superconductores no-
convencionales cuando el origen es otro. Aunque la superconductividad
se descubrió hace más de un siglo, actualmente se siguen descubriendo
nuevos superconductores. Cuando se descubre un nuevo superconductor
hay un gran interés en saber si es convencional o no-convencional.
5. TIPOS Y DIFERENCIAS DE LOS SUPERCONDUCTORES
4
Existen diferencias importantes entre los superconductores que permiten
clasificarlos en dos grandes grupos. Ciertos metales; en particular los que
tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de
fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos
mecánicos internos, exhiben semejanzas en su comportamiento en el
estado superconductor. Estos materiales superconductores reciben el
nombre de superconductores ideales, superconductores Tipo I, o suaves.
Por otro lado, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de
los metales superconductores más refractarios es complejo e individual,
particularmente con respecto a la forma cómo resultan afectados en el
estado superconductor en presencia de un campo magnético. A estos
superconductores se les ha dado el nombre de superconductores Tipo II,
o si la superconductividad se conserva aun bajo la influencia de campos
magnéticos intensos, se les conoce con el nombre de duros o de campo
intenso. Para entender mejor estas diferencias, veamos cómo un campo
magnético aplicado afecta a cada uno de los tipos de superconductores
que hemos mencionado. Para ello describiremos brevemente lo que es el
efecto Meissner-Oschenfeld. En 1933, W. Meissner y R. Oschenfeld
encontraron experimentalmente que un superconductor se comporta de
manera tal que nunca permite que exista un campo de inducción
magnética en su interior. En otras palabras, no permite que un campo
magnético penetre en su interior. El campo magnético en el interior de un
superconductor no sólo está congelado, sino que vale siempre cero. Una
consecuencia inmediata de lo anterior es que el estado de magnetización
del material que pasa por la transición superconductora no depende de
los pasos que se hayan seguido al establecer el campo magnético. Esta
consecuencia marca también la diferencia fundamental entre lo que es un
conductor perfecto y lo que es un superconductor. Por conductor perfecto
entendemos un material cuya resistencia eléctrica es igual a cero. En
tanto que un superconductor, además de presentar resistencia cero,
presenta también el efecto Meissner-Oschenfeld. Se puede demostrar
fácilmente que, en un conductor perfecto, el campo magnético tiene un
4
valor constante, esto es, está congelado en su interior, pero no
necesariamente vale cero, y esto trae como consecuencia que su estado
de magnetización dependa necesariamente de los pasos, que se hayan
seguido para magnetizarlo. Para entender más claramente la diferencia
entre un conductor perfecto y un superconductor; veamos qué ocurre
cuando tratamos de magnetizar un conductor perfecto y cuando tratamos
de magnetizar un superconductor. Consideremos primero al conductor
perfecto, esto es, pensemos que la transición nos lleva únicamente a un
estado de resistencia cero sin el efecto Meissner- Oschenfeld.
6. PENETRACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO B.
En el interior de un material considerado solamente como conductor
perfecto (es decir que sólo presenta resistencia eléctrica igual a cero, pero
no el efecto Meissner), al pasar por la temperatura de transición. Ahora
consideremos que la transición, además de llevar la muestra a un estado
de resistencia eléctrica cero, nos indica la existencia del efecto Meissner-
Oschenfeld. Penetración del campo magnético, B, en el interior de un
material que es un superconductor (es decir, que presenta resistencia
eléctrica igual a cero y además el efecto Meissner), al pasar la
temperatura de transición. Es necesario señalar que, si bien existe una
clara diferencia entre lo que es un superconductor y un conductor
perfecto, los únicos conductores perfectos que se han encontrado hasta
ahora en la naturaleza son, precisamente, los superconductores. Aún no
se descubren conductores perfectos materiales con resistencia cero y sin
que presenten el efecto Meissner-Oschenfeld.
7. APLICACIONES
Los superconductores tienen numerosas aplicaciones. Actualmente, los
imanes más potentes se fabrican con bobinas de cables
superconductores (electroimanes superconductores). Este es el caso de
4
los imanes que se utilizan en grandes instalaciones científicas, como los
aceleradores de partículas, y en medicina, como los aparatos de
resonancia magnética nuclear. Los imanes potentes son también un
componente importante de los generadores que transforman energía
mecánica en electricidad (como es el caso de los generadores eólicos e
hidráulicos). El uso de imanes producidos por bobinas superconductoras
disminuyen las pérdidas mecánicas en la producción de energías
alternativas. De esta forma disminuye de forma muy importante el peso y
las dimensiones de los motores. Además el uso de generadores
superconductores disminuye la dependencia en las escasas tierras raras
que componen los imanes convencionales. Con superconductores se
pueden también fabricar detectores ultrasensibles de campos magnéticos
utilizando el efecto Josephson. Otras aplicaciones que están en mayor o
menor medida en desarrollo son relevantes para la eficiencia energética
(por ej. cables que conducen la electricidad sin pérdidas de energía) y
transportes (trenes que levitan). Tren superconductor Para poder
desarrollar todo el potencial de los superconductores necesitamos aún
superar ciertos retos relacionados con los parámetros críticos de los
superconductores y con la propia producción de los materiales.
7.2 APLICACIONES DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
Puede decirse que existen tres tipos de aplicaciones de la
superconductividad: 1) La producción de grandes campos magnéticos. Al
decir grandes nos referimos tanto a una gran intensidad del campo
magnético como al espacio en el cual se crea el campo. 2) La fabricación
de cables de transmisión de energía. Aunque éstos ya se manufacturan a
partir de los superconductores convencionales (no de los nuevos
superconductores cerámicos), actualmente no son competitivos
comercialmente con respecto a los cables aéreos normales, a menos de
que cubran una gran distancia (de cientos de kilómetros). En los casos en
que las líneas de transmisión deben ser subterráneas, habría cierta
ventaja económica con la utilización de los cables superconductores. 3)
4
La fabricación de componentes circuitos electrónicos. Estos dispositivos
electrónicos fueron ideados originalmente con la intención de utilizar la
transición de estado normal a estado superconductor como un interruptor,
más resultaron decepcionantes con respecto a los logros alcanzados por
los transistores de películas delgadas y se ha abandonado su uso en este
aspecto. Este panorama puede cambiar con el descubrimiento de los
nuevos materiales superconductores cerámicos. Cabe mencionar que son
de gran interés los dispositivos basados en la utilización del llamado
efecto Josephson (que es el efecto de "tunelamiento" conocido por la
mecánica cuántica, pero de corriente de superconductividad aun en
ausencia de un voltaje aplicado). Resultan superiores a otras tecnologías
y tienen un gran campo de aplicación que va desde la detección de
señales del infrarrojo lejano que provienen del espacio exterior, hasta
pequeñísimos campos magnéticos que se producen en el cerebro
humano. También la corriente Josephson a voltaje cero depende
fuertemente de un campo magnético aplicado, lo que lleva a la posibilidad
de tener un interesante interruptor para circuitos lógicos en las
computadoras. La aplicación más importante, en cuanto a la cantidad de
material empleado, es y será por mucho tiempo la producción de campos
magnéticos, que se emplean, principalmente, en los laboratorios de física
con fines de investigación, y es común ver pequeños electroimanes súper
conductores que sirven para producir campos magnéticos con
intensidades del orden de 103 Oersted. Dentro de la investigación en el
campo de la física, también se utilizan electroimanes superconductores
para generar campos magnéticos altamente estables, útiles en los
estudios de la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica
de alta resolución. Son muy utilizados en las cámaras de burbujas que
sirven para la detección de partículas y que requieren campos magnéticos
muy intensos.
7.3 APLICACIONES DE LOS ELECTROIMANES SUPERCONDUCTORES
4
Se han propuesto muchas aplicaciones industriales a gran escala de los
imanes superconductores. En la actualidad existen algunos métodos
alternativos que emplean campos magnéticos pero, si se aplica la
superconductividad en estas áreas, se espera obtener un ahorro
considerable en costos de operación. En algunas otras áreas el uso de
electroimanes superconductores ha hecho la idea técnica y
económicamente posible. Algunas de las aplicaciones más importantes de
los electroimanes superconductores, sin que la lista pretenda ser
exhaustiva, es la siguiente:
Aplicaciones biológicas. Se sabe desde hace mucho tiempo
que los campos magnéticos intensos afectan el crecimiento de plantas y
animales. Así, se han utilizado electroimanes superconductores para
generar campos magnéticos intensos y estudiar sus efectos en el
crecimiento de plantas y animales y, además, analizar su efecto en el
comportamiento de estos últimos.
Aplicaciones químicas. Es un hecho conocido que los campos
magnéticos pueden cambiar las reacciones químicas y ser utilizados en la
catálisis.
Aplicaciones médicas. Se han aplicado campos magnéticos
para arreglar arterias, sacar tumores y para sanar aneurismas sin cirugía.
También se estudia la influencia de los campos magnéticos en las
funciones vitales del cuerpo humano.
Levitación. Una aplicación muy importante es en el transporte
masivo, rápido y económico. La idea de usar una fuerza magnética para
hacer "flotar" vehículos de transporte ha estado en la mente de los
científicos por casi un siglo y la posible aplicación de la
superconductividad a este problema lo ha renovado y actualizado. Hay,
esencialmente, dos métodos posibles para conseguir la levitación. Uno
corresponde a la utilización de un sistema atractivo y el otro a un sistema
repulsivo. Describiremos muy brevemente los principios de
4
funcionamiento de cada uno. Dibujo que muestra un tren levitado por
campos magnéticos producidos por corrientes superconductoras.
El sistema atractivo ha sido investigado, principalmente, en Alemania y
Estados Unidos. Como es sabido, la fuerza magnética entre un material
ferromagnético colocado en el seno de un campo magnético y la fuente
que genera al campo magnético es siempre atractiva. El peso del vehículo
es sostenido por esta fuerza atractiva.
7.4 APLICACIONES EN LA ELECTRÓNICA
La primera sugerencia para utilizar la transición del estado normal al
estado superconductor en la electrónica fue hecha en 1956. El dispositivo
que se propuso recibió el nombre de criotrón. A continuación haremos
una pequeña descripción de este dispositivo. Consiste en un par de
alambres superconductores, uno enrollado alrededor de otro. Usualmente
un alambre de niobio se coloca alrededor de un alambre de tantalio,
aislados eléctricamente entre sí. El campo magnético crítico del niobio es
bastante mayor que el del tantalio. Ambos alambres se encuentran
inicialmente en un estado superconductor. Supongamos ahora que una
corriente, I, pasa por el alambre de tantalio que, al ser superconductor, no
ofrece resistencia al paso de la corriente. Si hacemos pasar una corriente
IC, a través del alambre Nb, se genera un campo magnético dentro del
cual el alambre de tantalio (Ta) queda inmerso. Si la corriente es
suficientemente intensa se puede generar un campo magnético que lleve
al tantalio a su estado normal. Si esto ocurre, aparece una resistencia
eléctrica en el tantalio al paso de la corriente, reduciéndose así el valor de
esa corriente. Sin embargo, el alambre de Nb puede permanecer en el
estado superconductor ya que el campo magnético crítico del Nb es
mayor que el del Ta para la misma temperatura. Por tanto, el valor de la
corriente en el alambre del tantalio puede controlarse con una corriente
menor.
4
El alambre de tantalio recibe el nombre de alambre de paso o paso. El
alambre de niobio recibe el nombre de alambre de control, o control. Por
lo general el calibre del alambre de paso se toma lo más grande posible
para así tener en él la mayor cantidad de corriente. Al principio se
utilizaron criotrones como interruptores rápidos para su posible uso en
computadoras. Incluso, existen criotrones de películas delgadas. En
general, hubo bastante esfuerzo dedicado al desarrollo de circuitos
superconductores de criotrones. Sin embargo, a mediados de los años
sesenta, estos dispositivos habían perdido ya terreno respecto a los
dispositivos de transistores que funcionan a la temperatura ambiente. La
razón más importante, quizá, es que el criotrón no fue tan eficiente
comparado con las versiones mejoradas del transistor. Sin embargo, con
los nuevos materiales superconductores cerámicos los criotrones podrían
ser de nuevo competitivos, ya que en ellos las temperaturas de
refrigeración son mucho más grandes. Por otro lado, el criotrón se ha
utilizado y se utiliza para controlar corrientes en circuitos de imanes
superconductores. Esquema que muestra al criotrón o relevador
superconductor.
Capitulo III
COMPUTADORA CUÁNTICA
1. INTRODUCCION
Mucha gente usa el término Computación Cuántica para describir una potencia
de computación mucho mayor que la que existe hoy en día. Pero, ¿qué es? La
creación de encriptaciones prácticamente invulnerables o la búsqueda dentro
de bases de datos inmensas son aplicaciones que requieren un alto coste de
cómputo con los ordenadores actuales, pero que podrían realizarse,
teóricamente, en tan sólo unos segundos usando un ordenador cuántico, un
dispositivo que basado en la mecánica cuántica, dedicada a estudiar la energía
y la materia a nivel atómico. A lo largo de la historia el ser humano ha intentado
construir máquinas que lo sustituyan a la hora de realizar complejos cálculos
4
matemáticos, de una forma automática y mucho más rápida. Este avance ha
sido más o menos constante según pasaba el tiempo pero, ¿podrá continuar
infinitamente? La respuesta a la pregunta anterior es negativa, al menos si se
sigue en la línea actual, es decir, basándose en los mismos principios físicos a
la hora de crear componentes. Existe un claro límite, llamado efecto túnel, por
el cual un componente electrónico deja de funcionar correctamente, al
traspasar los electrones las "paredes" que delimitan los canales por los que
deben circular, si son excesivamente finas. Esto ocurre por la sucesiva
miniaturización de los elementos que componen un computador, pues para
ganar en velocidad de cómputo es necesaria, al menos en el punto actual de la
computación clásica, una reducción que acerque los puntos de origen y destino
de la información, así como otros aspectos físicos, que proporcionan un mejor
rendimiento. Por tanto, es necesario un cambio, o el progreso quedará
paralizado. Aquí es donde nace la computación cuántica.
2. HISTORIA
Teóricos tales como Richard Feynmann, del California Institute of Technology,
de Pasadena (California); Paul Benioff, de Argonne National Laboratory, en
Illinois; David Deutsch, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, y Charles
Bennett, del T.J. Watson Research Center de IBM en Yorktown Heights (Nueva
York), propusieron por primera vez el concepto de las computadoras cuánticas
en las décadas de 1970 y 1980, muchos científicos dudaron que alguna vez
ese tipo de computadora pudiera resultar práctica. Pero en 1994, Peter Shor,
de AT and T Research, describió un algoritmo cuántico específicamente
diseñado para factorizar números grandes y exponencialmente más rápido que
las computadoras convencionales, lo suficientemente rápido como para birlar la
seguridad de muchos criptosistemas de clave pública. El potencial del algoritmo
de Shor alentó a muchos científicos a tratar de explotar las capacidades de las
computadoras cuánticas. En los últimos años, varios grupos de investigación
de todo el mundo han alcanzado progresos significativos en este campo.
Mientras estuvo en IBM, Chuang amplió su reputación como uno de los
experimentalistas en computación cuántica más importantes del mundo. Dirigió
4
el grupo que demostró la primera computadora cuántica de 1 qubit (en 1998 en
la Universidad de California en Berkeley). En IBM Almaden, Chuang y sus
colegas fueron los primeros en demostrar los importantes algoritmos cuánticos,
el algoritmo de Grover concebido en 1999 para hacer búsquedas en bases de
datos con ayuda de una computadora cuántica de 3 qubits, y la búsqueda de
pedidos ideadas en agosto del año 2000 con una computadora cuántica de 5
qubits. La factorización con el algoritmo de Shor anunciada hoy es el algoritmo
más complejo que se haya demostrado hasta ahora usando una computadora
cuántica. Además de su ambicioso programa experimental, la División de
Investigación de IBM Research es conocida también por sus muchas
contribuciones teóricas en el emergente campo de la información cuántica. Los
científicos de IBM fueron pioneros en criptografía cuántica, en comunicaciones
cuánticas (incluso el concepto de teleporte cuántico) y en metodologías
eficientes para corregir errores. David DiVincenzo, miembro del cuerpo de
investigadores del laboratorio Watson de IBM, ha promulgado los cinco criterios
necesarios para construir una computadora cuántica práctica:
un sistema físico de escala flexible con qubits bien caracterizados
capacidad de inicializar el estado de un qubit
tiempos de descoherencia más largos que el tiempo de operación de la
puerta cuántica
un conjunto universal de puertas cuánticas; y
la capacidad de medir qubits específicos.
3. COMPUTADORA CUÁNTICA
Una definición acerca de las computadoras cuánticas, ampliamente
aceptada por los investigadores, la concibe como un sistema de circuitos
cuánticos, actuando en un espacio de estados. El circuito es una secuencia
de transformaciones unitarias seguido por una medición. Esas
transformaciones, son llamadas compuertas cuánticas, y son controladas
por una computadora clásica. Así esto permite la superposición simultánea
de estados básicos (correspondientes a estados clásicos "0" y "1").
Hardware cuántico Requerimientos de implementación. Aún no se ha
4
resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación
cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir,
conocida como la lista de Di Vinzenzo, y actualmente hay varios candidatos
a qubits. Requisitos a cumplir:
a) El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de
partida conocido y controlado.
b) Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma
controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto
universal de puertas lógicas (para poder reproducir a cualquier otra
puerta lógica posible).
c) El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del
experimento. Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el
cálculo.
d) El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de
aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste
computacional. Candidatos a qubits:
Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN.
Flujo eléctrico en SQUIDs. Iones suspendidos en vacío.
Puntos cuánticos en superficies sólidas.
Imanes moleculares en micro-SQUIDs.
3.1 CIRCUITOS PARA LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA.
Los investigadores afirman que en la computación cuántica se usarán los
principios de la mecánica cuántica, para realizar cálculos complejos en
una fracción del tiempo necesario hoy en día en los superordenadores
más veloces. A medida que avanza la teoría al respecto, los expertos van
proponiendo avances que permitirán que esta idea se haga realidad. Bajo
estas líneas se propone un circuito realizable de forma experimental y una
manera eficiente de implementar una computación cuántica escalable. Es
precisamente la habilidad de aumentar la escala de la tecnología, de
aquella que permite realizar experimentos de 1 ó 2 qubits, habituales en el
laboratorio, a la que nos proporcionará sistemas en los que participarán
4
muchos qubits, lo que hará posible construir un ordenador cuántico. El
próximo sistema radicalmente distinto para el procesamiento de
información será la computación cuántica. Los investigadores afirman que
en ella se usarán los principios de la mecánica cuántica, para realizar
cálculos complejos en una fracción del tiempo necesario hoy en día en los
superordenadores más veloces. A medida que avanza la teoría al
respecto, los expertos van proponiendo avances que permitirán que esta
idea se haga realidad. Un reciente artículo publicado en Physical Review
Letters, por ejemplo, propone un circuito realizable de forma experimental
y una manera eficiente de implementar una computación cuántica
escalable. Es precisamente la habilidad de aumentar la escala de la
tecnología, de aquella que permite realizar experimentos de 1 ó 2 qubits,
habituales en el laboratorio, a la que nos proporcionará sistemas en los
que participarán muchos qubits, lo que hará posible construir un
ordenador cuántico. Franco Nori, de la University of Michigan, y sus
colegas, han escrito un artículo en este sentido, titulado "Scalable
quantum computing with Josephson charge qubits". Para implementar
esta tecnología, será necesario preparar, manipular y medir el frágil
estado cuántico de un sistema. Esto no es fácil, y es por eso que hasta
ahora nos hemos centrado en qubits individuales. Pero para disponer de
un ordenador cuántico serán necesarios muchos qubits, y controlar la
conectividad entre ellos. Estas son las principales dificultades a las que
nos enfrentamos, que el método de Nori trata de solventar.
3.2 Funcionamiento.
La computación cuántica pretende utilizar un principio básico de la
mecánica cuántica por el cual todas las partículas subatómicas (protones,
neutrones, electrones, etc.) tienen una propiedad asociada llamada spin.
El spin se asocia con el movimiento de rotación de la partícula alrededor
4
de un eje. Esta rotación puede ser realizada en un sentido, o el opuesto.
Si por ejemplo tomamos como bit al spin de un protón, podemos usar una
dirección como 1 y otra como 0. Estos bits, tomados a partir del spin de
las partículas han recibido el nombre de qubits. Sin embargo, en
mecánica cuántica el estado de una partícula se determina a través de la
asignación de una probabilidad, no podemos hablar de un estado 1 ó 0
claramente determinado. Esta aparente ambigüedad tiene una ventaja
que convierte a la computación cuántica en un desarrollo revolucionario:
La lógica de un bit es uno u otro, mientras que un qubit (nombre dado al
bit cuántico) entraña el concepto ambos a la vez. Si tomamos por ejemplo
dos bits, sus estados posibles son cuatro: 00, 01, 10, 11. Son necesario
cuatro pares de bits para representar la misma información que un solo
par de qubits con comportamiento ambiguo. Los qubits pueden
representar en este caso cuatro números a la vez, cuatro respuestas
posibles a la vez. Procesamiento paralelo real, la Meca de la
computación. Sus aplicaciones principales entran en el campo de la
criptografía y teoría de número, y en el análisis de gigantescos volúmenes
de información. Qubits No todos los problemas pueden ser resueltos por
este tipo de lógica. Sin embargo, una computadora cuántica podría
resolver los que sí pueden, a una velocidad varias veces superior a la de
los microprocesadores conocidos hasta hoy, está también se considera
una tecnología hipotética, pues aún sólo se ha quedado en la
investigación sin llegar a desarrollar un sistema completo utilizando esta
lógica, pero aun así, si se logra implantar algún día será definitivamente
demasiado cara debido a las características necesarias para su buen
funcionamiento.
3.3Requerimientos de implementación
Para la implementación de una computadora cuántica, se deben cumplir
al menos cinco requisitos. Primero, se necesita un sistema de qubits.
Segundo, los qubits deben ser individualmente direccionables y deben
interactuar con otros para conformar compuertas lógicas de propósito
4
general. Tercero, debe ser posible la inicialización de las compuertas.
Cuarto, se debe tener la posibilidad de extraer los resultados
computacionales. Y Quinto, es la necesidad de un tiempo de coherencia
duradero. ¿Qué cosas podrían hacerse con un computador cuántico? Si
fuera posible encontrar algoritmos y hardware que exploten
eficientemente la superposición del qubit, podrían obtenerse ahorros
exponenciales en el tiempo de procesamiento. Un ejemplo de esto es la
factorización de números grandes (encontrar números que al multiplicarse
arrojen el número del cual son factores), en donde las computadoras
actuales ven incrementado su tiempo de procesamiento en forma
exponencial según aumente el número de dígitos de la cantidad a
factorizar. De hecho, los algoritmos actuales para codificar y enviar en
forma encriptado información a través de Internet, basan su seguridad en
la imposibilidad de las computadoras actuales de encontrar en un tiempo
razonable, los factores de un determinado número. El computador
cuántico haría obsoletos dichos mecanismos de encriptación.
3.4Otras aplicaciones
Encriptación: Si bien el computador cuántico haría obsoletos los
mecanismos actuales, también provee una solución alternativa basada no
tanto en las matemáticas, sino en las leyes de la física por lo que esta
solución podría ser prácticamente imposible de violar por los amantes de
lo ajeno.
Teleportación: Se refiere a comunicar el estado físico de un objeto a otro
objeto ubicado en otra parte.
La factorización de grandes números: Una computadora actual se estima
que tardaría varios miles de millones de años para factorizar un número
de 1000 dígitos, mientras que un computador cuántico lo haría en 20
minutos.
La búsqueda en bases de datos: Las búsquedas en bases de datos no
ordenadas se realizan actualmente al azar (ningún algoritmo es más
4
eficiente) y para localizar un dato en especial se requiere en promedio de
N/2 intentos, donde N es el número total de datos. Un computador
cuántico podría realizar lo anterior en un número de intentos igual a la raíz
cuadrada de N. Así por ejemplo si N es igual a un millón, una
computadora actual tendría que intentar 500,000 veces, mientras que el
computador cuántico lo haría sólo 1,000 veces.
¿Qué tan cerca estamos de contar con un computador así? Se han
hechos grandes progresos, sin embargo aún existen grandes dificultades
técnicas. Así por ejemplo, la superposición cuántica (la capacidad de un
qubit de existir en dos universos paralelos) es difícil de obtener y
mantener ya que cualquier interacción con el exterior obligará al qubit a
adoptar un valor definido (fenómeno conocido como "decoherencia") Por
otro lado, el qubit no puede ser construido a partir del transistor ya que
este es un elemento que sólo funciona en las computadoras actuales;
más bien se deben utilizar partículas o sistemas de partículas que
manifiesten el fenómeno de la interferencia cuántica. Se han hechos
grandes progresos, sin embargo aún existen grandes dificultades
técnicas. Así por ejemplo, la superposición cuántica (la capacidad de un
qubit de existir en dos universos paralelos) es difícil de obtener y
mantener ya que cualquier interacción con el exterior obligará al qubit a
adoptar un valor definido (fenómeno conocido como "decoherencia”).
Además, el qubit no puede ser construido a partir del transistor ya que
este es un elemento que sólo funciona en las computadoras actuales;
más bien se debe utilizar partículas o sistemas de partículas que
manifiesten el fenómeno de la interferencia cuántica. Diseñando
indicadores automotrices con Arduino Ingenieros de un equipo competidor
de la carrera Le Mans investigó la forma de diseñar un nuevo medidor de
combustible para su vehículo Dodge Neon, y descubrieron una forma
sencilla y práctica utilizando la tarjeta de desarrollo Arduino Uno.
Ingenieros de un equipo de la carrera automovilística Le Mans, innovaron
con la tarjeta Arduino Uno, al crear un indicador de combustible y luces de
4
advertencia para su coche que fallaron de último momento, demostrando
que la creatividad y una herramienta prediseñada de desarrollo pueden
sacar de apuros.
Tal fue el éxito de su innovación, que los técnicos decidieron poner a
disposición de la comunidad la metodología y componentes que usaron
para materializar este sistema electrónico. De esta forma, el artículo
técnico fue cargado al sitio Design Concepts, donde uno de los técnicos
menciona que la idea les ocurrió durante las 24 Horas de Le Mans 2013 -
Chubba Cheddar Enduro, competencia realizada en noviembre del año
pasado en Estados Unidos. En esta justa automovilística los equipos
utilizan coches que en muchas ocasiones son de modelo atrasado, y
deben recorrer circuitos conformados por grandes distancias, por lo que la
maquinaria y los sistemas eléctricos de los coches deben estar trabajando
adecuadamente. CIRCUITO INTERNO DE MEDIDOR AUTOMOTRIZ
Previo a la carrera, los ingenieros rectificaron los diferentes módulos del
vehículo, en este caso un Dodge Neón pintado de vaca al que se le aplicó
la innovación, de esta forma los técnicos se percataron que el indicador
de combustible y las luces de señalización no funcionaban bien, siendo el
medidor el más apremiante ya que no podían arriesgarse a participar sin
este recurso tan importante que de no funcionar, podría ponerlos fuera de
la competencia. De esta manera comenzaron una tormenta de ideas y
encontraron una puerta para solucionar en breve esas fallas. “Mientras
nos preparábamos para la carrera Le Mans 2013 de Chubba Cheddar, se
hizo evidente que tendríamos que ser creativos para implementar un
indicador de combustible debido a que el de nuestro coche estaba
fallando y la depuración no iba bien. Correr con un indicador de
combustible fallo era claramente algo que queríamos evitar”, comenta uno
de los ingenieros. “Con un poco de investigación fui capaz de determinar
que el sensor del tanque de gasolina no era más que un resistor variable.
Para un módulo DIY podríamos prácticamente montar un multímetro y
observar la resistencia del sensor conforme el nivel de combustible
cambiaba. Esta idea parecía algo pirata incluso para las carreras Le
4
Mans”, añadió el miembro del ‘staff’. Diagrama de bloques de indicador
Arduino Los técnicos debían luchar contratiempo y programar juntas
técnicas para la presentación de propuestas; el tiempo era un privilegio
del cual no gozaban, ya que era cuestión de horas el resolver los
problemas o bien resignarse a declinar a la competencia.
El reporte señala que los ingenieros navegaron por cerca de una hora en
Internet y descubrieron una tarjeta de desarrollo de nombre Arduino Uno,
la cual contaba con los módulos electrónicos necesarios para diseñar el
sistema que buscaban, en este caso un indicador electrónico de
combustible. A pesar de su desconocimiento sobre el entorno
‘OpenSource’ para el desarrollo de hardware automotriz, los técnicos
inmediatamente descargaron un diseño de referencia que al parecer se
encontraba en el mismo sitio Web de la comunidad Arduino. Este módulo
era prácticamente una herramienta desconocida por los ingenieros, pero
hicieron uso de las hojas técnicas del portal y con ello comenzaron a
planear el módulo requerido. Al ver la funcionalidad de la tarjeta de
desarrollo, vieron viable innovar y decidieron integrar en el mismo
proyecto un indicador de luz para nivel bajo de combustible, temperatura y
presión de aceite, es decir, un todo-en-uno. En la siguiente imagen se
aprecia el prototipo final de este módulo automotriz multifuncional para
monitoreo de combustible y fluidos. La Caja Hammond se utilizó como
cubierta para la tarjeta electrónica Los ingenieros adelantaron que debido
a los buenos resultados que consiguieron con esta aplicación, han
decidido desarrollar una nueva versión del módulo para la siguiente justa
Le Mans 2014. Los materiales que utilizaron los técnicos fueron: Arduino
Uno, módulo Microtivity IM162 LCD 1602, Caja Negra Hammond
1591ESBK ABS, diodos rojos de 5mm pre-cableados de 6V, resistencias
varias, plataforma ‘Speed Studio’. En el mismo documento se comparten
los códigos de arranque y funcionamiento para cada una de las fases
operativas del sistema y las herramientas y protocolos que utilizaron para
finalizarlo Apple estaría probando muestras de paneles LED de 65″ para
el futuro TV Muchos son los rumores acerca de la televisión de Apple y
4
poco a poco se van sumando otros que evidencia que si bien puede que
no entre en los planes cercanos o incluso nunca se llegue a producir en
serie, Apple está investigando y de qué manera en este nicho de negocio.
Según distintos informes, Apple está actualmente probando paneles
OLED de 65 pulgadas de una empresa coreana ‘sin nombre’ que
supuestamente montarían en el iTV , de acuerdo a las informaciones de la
agencia IBK Securities.
El Korea Herald ha hecho público un informe del analista Lee Seung -
woo, que dice: La compañía está fabricando paneles OLED de muestra
en 65 pulgadas para el iTV de Apple en colaboración con Apple. Aún así,
no está claro si Apple va a usarla para la producción masiva de su
largamente rumoreada iTV , ya que todavía están en fase de pruebas.
4. CONCLUSIONES
Después de haber investigado y analizado el tema en profundidad,
llegamos a la conclusión de que la nanotecnología ha sido utilizada en los
últimos tiempos como una función primordial de los productos
tecnológicos modernos. Hemos aprendido y aprovechando de ella,
recordando que muchos de los avances que hoy tenemos como sociedad
son gracias a la recién tratada. Con el tiempo la tecnología fue increpando
e implementando en nuevos avances, los cuales nos han dado nuevos
aportes médicos, sociales, económicos o simplemente del lujos que
quizás hoy o más adelante sean imprescindibles para el hombre.
En el presente trabajo se ha logrado desarrollar los resultados
matemáticos históricos de la superconductividad convencional, a través
de una nueva forma de concebir la interacción electrón-fonón, con un
manejo distinto de la teoría de sistemas de muchas partículas, que está
en el significado real de establecer operadores de Bose como
combinación lineal de operadores de Fermi, lo cual arroja resultados
correctos. Asimismo, se obtiene a partir de un proceso nuevo de
4
canonización del Hamiltoniano BCS fundamentado en la Teoría de
Campo Auto consistente la ley de dispersión y la ecuación de Eliashberg
McMillan obtenida, a través de la Teoría de los Problemas de Muchos
Cuerpos sustentada en la Grinística y la Técnica de Diagramas de
Feynman. Lo anterior da lugar a tener caminos alternativos para elaborar
una nueva teoría futura para tratar los problemas de cálculo de sistemas
ligados formados por bosones y fermiones interactuantes. En el marco de
esa tarea, se ha conseguido explicar una alternativa diferente a
planteamientos originales como el hamiltoniano BCS y la aplicación de la
teoría de bandas electrónicas, para determinar la ecuación de Eliashberg
y McMillan. Sin embargo, la aplicación de nuestros resultados al
superconductor MgB2 no garantiza un aparato teórico para enfrentar a la
superconductividad de alta temperatura crítica. Los intentos para explicar
la superconductividad de alta Tc se pueden dividir en dos tipos. Los que
retoman la teoría BCS de interacción electrón-fonón y los que proponen
mecanismos diferentes. La falta de un consenso obedece a la
complejidad 118 de las estructuras cristalinas involucradas. Otra
característica que se presenta son los llamados escenarios, que significa
que hay partes de la muestra que se comportan de manera diferente en la
transición al estado superconductor.
La computación cuántica es una excelente oportunidad de investigación y
desarrollo para matemáticos, físicos, informáticos y expertos en ciencias
de la computación. Por estar en su infancia, esta nueva rama del
conocimiento es un despliegue de su potencial, ya estamos viendo los
resultados de todo este avance.
BIBLIOGRAFIA electrónicos
http://www.xataka.com/otros/el-presunto-ordenador-cuantico-de-lockheed-
martin http://tenoch.scimexico.com/2007/12/14/la-primera-computadora-
cuantica/ http://es.wikipedia.org/wiki/Computaci%C3%B3n_cu%C3%A1ntica
4
http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/6252685/Computadoras-
cuanticas-el-futuro-de-la-tecnologia.html
http://www.nanotecnologia.cl/que-es-nanotecnologia/
http://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnolog%C3%ADa
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_e
s.htm http://www.nanotecnologia.cl/que-es-nanotecnologia/
http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad
http://descubriendo.fisica.unlp.edu.ar/descubriendo/index.php/%C2%BFQ u
%C3%A9_son_los_Superconductores%3F
http://www.unizar.es/icma/divulgacion/pdf/pdflevitsupercon.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Clasificaci%C3%B3n_de_los_superconductores
ANEXO
Realizando los trabajos de Física Electrónica