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Charla disponible en: http://www.ua.es/personal/jfrossier
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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.
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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) 1897 2000 1947
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Chips, transistores y todo eso
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Un aparato cualquiera
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Un aparato cualquiera ..... por dentro
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Chip= Circuito Integrado
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un transistor
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¿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)
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Un Chip con 100 millones de transistores.
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
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¿Cómo hemos llegado hasta aquí?
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¿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)
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¿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
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Oficina Correos 2000 Oficina Correos 1900 Tubos Neón M.S. Ordenadores M.S. M.S. Plástico
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1897 Descubrimiento del electrón. Medida de e/m
(Cambridge, UK) J.J. Thompson ( ) descubre el “electrón” (Cambridge, UK) Medida de e/m Premio Nobel Física, 1906
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1897 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 ( ) descubre el “electrón” (Cambridge, UK) Premio Nobel Física, 1906
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1900 Cuantización de la energía Espectro Emisión Cuerpo negro
(Berlin, Alemania) Espectro Emisión Cuerpo negro Intensidad M. Planck ( ) Longitud de onda Premio Nobel Física, 1918
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Cuantizacíon 1900 Constante de Planck
“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”
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Cuantizacíon 1900 Constante de Planck
“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature” MASA=M Velocidad v
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1905 Explicación del movimiento Browniano
Relación distancia recorrida y número de Avogadro. Confirmación de teoría atómica Albert Einstein ( ) Premio Nobel Física, 1921
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Explicación del efecto fotoeléctrico
1905 Explicación del efecto fotoeléctrico Albert Einstein ( ) Premio Nobel Física, 1921
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Explicación del 1905 efecto fotoelectrico Constante de Planck....
OTRA VEZ
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Teoría de la Relatividad
1905 Teoría de la Relatividad Albert Einstein ( ) Premio Nobel Física, 1921
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1905 Confirmación de la hipótesis atómica
Confirmación de la hipótesis de Planck Crisis del concepto de tiempo absoluto y reforma de la mecánica de Newton
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1905
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1909 Medida de la carga de un electrón Robert Millikan (1868-1953)
Robert Millikan ( ) Premio Nobel Física, 1923
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Observa estructura atómica=
Nucleos + electrones 1911 Ernerst Rutherford ( ) Cambridge (UK), McGill, Montreal (Canada), (Manchester, UK) Premio Nobel Química, 1908
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Descripción clásica del H
El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)
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Problemas: 1) estabilidad de los átomos, 2) Espectro de emisión
x x x x x x x
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La energía de los electrones está cuantizada
SOLUCION: Cuantización órbitas atómicas 1913 La energía de los electrones está cuantizada Niels Bohr ( ) (Manchester, UK) (Copenhagen, Denmark) Premio Nobel Física, 1922
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1914 1918 I Guerra Mundial
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Los electrones se comportan a la vez como ondas y como partículas.
1921 Los electrones se comportan a la vez como ondas y como partículas. Louis De Broglie ( ) Premio Nobel Física, 1929
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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)
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1926 Formulación de la ecuación general de la mecánica cuántica.
Un electrón queda completamente descrito por su función de onda. = Probabilidad de encontrar electrón en x Erwin Schrodinger ( ) (AUS) Graz, Berlin, Dublin Premio Nobel Física, 1933
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1926 Formulación matricial de la mecánica cuántica.
Principio de incertidumbre 1926 W. Heisenberg ( ) Premio Nobel Física, 1932
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El “F=ma” cuántico Ecuación de Schrödinger
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Las reglas cuánticas ... Función de onda: descripción más completa
Cuadrado de función de onda = PROBABILIDAD de que algo ocurra La función de onda = solución de ecuación de Schrödinger Principio de superposición:
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La molécula de Hidrógeno...
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Mecánica Cuántica Nos permite entender la naturaleza a escala atómica
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
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Paradojas: el gato de Schrodinger
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Mecánica Cuántica: la teoría de TODO
+ Relatividad Química de Atomos y Moléculas (< átomos) Física Nuclear. Física de Partículas Estructura electrónica de sólidos: Metales, aislantes, semiconductores Magnetismo Superconductividad. > átomos
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Mecánica Cuántica: la teoría de los sólidos
Estructura electrónica de sólidos: Metales, aislantes, semiconductores Magnetismo Superconductividad. > átomos
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Una estructura PERIODICAMENTE
¿Qué es un sólido? Una estructura PERIODICAMENTE repetida
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Metal Aislante
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¿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
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1925 Sociología de los electrones (I) W. Pauli E. Fermi Paul Dirac
( ) Premio Nobel Física, 1945 E. Fermi ( ) Premio Nobel Física, 1938 Paul Dirac ( ) Cambridge Florida Generalizan mecánica estadística para el caso de electrones Principio de “exclusión”
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1928 Mecánica Cuántica de los Electrones en un cristal Zonda Prohibida
Felix Bloch (Suiza) Premio Nobel Física, 1952
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“Física del estado sólido”
1930 1939 “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
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1939 1945 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)
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1947 Willian Schockley, John Bardeen, Walter Brattain
J. Bardeen TRANSISTOR (Bell Labs, NJ, USA) Willian Schockley, John Bardeen, Walter Brattain (1947, ATT Labs, USA) Premio Nobel 1956
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un transistor Efecto de las impurezas en la conducción
Propiedades de las interfases Conducción a través de interfases Electrones y “huecos”
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Premio Nobel Física, 1956 (por la invención del transistor) Premio Nobel Física, 1972 (por la teoría de la superconductividad)
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1951 1951: Whirlwind Computer – The First to Display Real Time Video
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1955 Primer ordenador con electrónica Completamente transistorizada.
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1958 J. Kilby (Texas Instruments, US) inventa el circuito integrado
Premio Nobel Física, 2000
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1959 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) ( ) Premio Nobel Física, 1965
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Un Chip con 100 millones de transistores.
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
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Compresión de la naturaleza a escala atómica
CONCLUSION 1 Compresión de la naturaleza a escala atómica = Mecánica Cuántica
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CONCLUSION 2
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