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 2004
Fronteras 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)
¿Qué NO sabían al final del siglo XIX?
¿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
Oficina Correos 2000
Oficina Correos 1900
Tubos Neón
M.S.
Ordenadores
M.S.
M.S.
Plástico
Descubrimiento del electrón.
(Cambridge, UK)
J.J. Thompson (18561940) descubre
el “electrón”
(Cambridge, UK)
Medida de e/m
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
J.J. Thompson (18561940) descubre
el “electrón”
(Cambridge, UK)
Premio Nobel Física, 1906
Cuantización de la energía
(Berlin, Alemania)
Intensidad
Espectro
Emisión
Cuerpo negro
M. Planck
(1858-1947)
Longitud de
onda
Premio Nobel Física, 1918
Cuantizacíon
8
E  N 
6
4
2
Constante de Planck
2
4
6
8
10
“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”
Cuantizacíon
8
E  N 
6
4
2
Constante de Planck
2
4
6
8
10
“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”
MASA=M
14
12
Velocidad v
10
8
6
E 
1
2
mv
2
4
2
2
4
6
8
10
Explicación del movimiento
Browniano
Albert Einstein
(1879-1955)
Relación distancia recorrida y
número de Avogadro.
Confirmación de teoría atómica
Premio Nobel Física, 1921
http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
Explicación del efecto
fotoeléctrico
Albert Einstein
(1879-1955)
Premio Nobel Física, 1921
http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
Explicación del
efecto fotoelectrico
E  N 
Constante de Planck....
OTRA VEZ
Teoría de la Relatividad
Albert Einstein
(1879-1955)
Premio Nobel Física, 1921
http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
1) Confirmación de la hipótesis atómica
2) Confirmación de la hipótesis de Planck
3) Crisis del concepto de tiempo absoluto y
reforma de la mecánica de Newton
http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
http://www.physics2005.org/
Medida de la carga de un electrón
Robert Millikan
(1868-1953)
Premio Nobel Física, 1923
Observa estructura atómica=
Nucleos + electrones
Ernerst Rutherford
(1871-1937)
Cambridge (UK), McGill,
Montreal (Canada),
(Manchester, UK)
http://people.hofstra.edu/faculty/Terry_L_Brack/courses/chem3a/elements/sld021.htm
Premio Nobel Química, 1908
http://www.rutherford.org.nz/biography.htm
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
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)
Problemas: 1) estabilidad de los átomos,
2) Espectro de emisión
1
0.8
0.6
0.4
x
x
x
x
x
0.2
x
1
2
3
x
4
SOLUCION:
Cuantización órbitas atómicas
La energía de los
electrones está
cuantizada
Niels Bohr
(1885-1962)
(Manchester, UK)
(Copenhagen, Denmark)
Premio Nobel Física, 1922
I Guerra Mundial
Los electrones se comportan a la
vez como ondas y como partículas.
Louis De Broglie
(1892-1987)
Premio Nobel Física, 1929
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 general
de la mecánica cuántica.
1
0.8
 (x)
0.6
0.4
2
0.2
-3
-2
-1
1
2
3
Un electrón queda completamente descrito
por su función de onda.
Erwin Schrodinger  ( x ) 2 = Probabilidad de encontrar electrón en x
(1887-1961) (AUS)
Graz, Berlin, Dublin
Premio Nobel Física, 1933
Formulación matricial
de la mecánica cuántica.
Principio de incertidumbre
x  v 

m
W. Heisenberg
(1901-1976)
Premio Nobel Física, 1932
El “F=ma” cuántico


2
2me
  ( x, t )
2
x
2
 V ( x )   i
Ecuación de Schrödinger

t
 ( x, t )
Las reglas cuánticas ...
1. Función de onda: descripción más completa
2. Cuadrado de función de onda =
PROBABILIDAD de que algo ocurra
3. La función de onda = solución de ecuación
de Schrödinger
4. Principio de superposición:
  1   2
La molécula de
Hidrógeno...
  1   2
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
   gato  vivo   gato  muerto
Mecánica Cuántica:
la teoría de TODO
+ Relatividad
Química de
Atomos y Moléculas
(< 10.000 átomos)
Física Nuclear.
Física de Partículas
Estructura electrónica de sólidos:
Metales, aislantes, semiconductores
Magnetismo
Superconductividad.
>10.000 átomos
Mecánica Cuántica:
la teoría de los sólidos
Estructura electrónica de sólidos:
Metales, aislantes, semiconductores
Magnetismo
Superconductividad.
>10.000 átomos
¿Qué es un sólido?
Una estructura
PERIODICAMENTE
repetida
Aislante
Metal
¿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
Sociología de los electrones (I)
W. Pauli
(1900-1958)
Premio Nobel
Física, 1945
Principio de
“exclusión”
E. Fermi
(1901-1954)
Premio Nobel
Física, 1938
Paul Dirac
(1902-1984)
Cambridge
Florida
Generalizan mecánica estadística
para el caso de electrones
Mecánica Cuántica de los
Electrones en un cristal
Zonda Prohibida
Felix Bloch
1905-1983
(Suiza)
Premio Nobel Física, 1952
“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 Mundial
43 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 electrónica
Completamente 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”
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)
Premio Nobel Física, 1965
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
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