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
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