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2 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.

3 Historia del TRANSISTOR Historia de la física del siglo XX (1 ra parte) (según un físico de la materia condensada ) Relación entre ciencia básica y tecnología (mecánica cuántica) (TV, PC, SMS)

4 Chips, transistores y todo eso

5 Un aparato cualquiera

6 Un aparato cualquiera..... por dentro

7 Chip= Circuito Integrado

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26 un transistor

27 ¿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)

28 Procesador Pentium= Un Chip con 100 millones de transistores. 1 cm 2 /10 8 =10 -8 cm 2 = (10 -4 cm) (10 -4 cm)=(0.1 m) 2

29 ¿Cómo hemos llegado hasta aquí?

30 ¿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)

31 ¿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?

32 Oficina Correos 1900 Oficina Correos 2000 Ordenadores Tubos Neón Plástico M.S.

33 J.J. Thompson ( ) descubre el electrón (Cambridge, UK) Premio Nobel Física, 1906 Descubrimiento del electrón. Medida de e/m (Cambridge, UK)

34 J.J. Thompson ( ) 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

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36 M. Planck ( ) Premio Nobel Física, 1918 Cuantización de la energía (Berlin, Alemania) Espectro Emisión Cuerpo negro Intensidad Longitud de onda

37 Cuantizacíon Constante de Planck Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature

38 Cuantizacíon Constante de Planck Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature MASA=M Velocidad v

39 Premio Nobel Física, Explicación del movimiento Browniano Relación distancia recorrida y número de Avogadro. Confirmación de teoría atómica Albert Einstein ( )

40 Premio Nobel Física, Explicación del efecto fotoeléctrico Albert Einstein ( )

41 Explicación del efecto fotoelectrico Constante de Planck.... OTRA VEZ

42 Teoría de la Relatividad Premio Nobel Física, Albert Einstein ( )

43 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

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45 Medida de la carga de un electrón Premio Nobel Física, 1923 Robert Millikan ( )

46 Observa estructura atómica= Nucleos + electrones Premio Nobel Química, Ernerst Rutherford ( ) Cambridge (UK), McGill, Montreal (Canada), (Manchester, UK)

47 Descripción clásica del H El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva)

48 Descripción clásica del H

49 El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva) Descripción clásica del H

50 El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva) Descripción clásica del H

51 El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva) Descripción clásica del H

52 El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva) Descripción clásica del H

53 El electrón (carga negativa) gira en torno al protón (carga positiva) Descripción clásica del H

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

55 SOLUCION: Cuantización órbitas atómicas Premio Nobel Física, 1922 Niels Bohr ( ) (Manchester, UK) (Copenhagen, Denmark) La energía de los electrones está cuantizada

56 I Guerra Mundial

57 Los electrones se comportan a la vez como ondas y como partículas. Premio Nobel Física, 1929 Louis De Broglie ( )

58 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)

59 Formulación de la ecuación general de la mecánica cuántica. Premio Nobel Física, 1933 Erwin Schrodinger ( ) (AUS) Graz, Berlin, Dublin Un electrón queda completamente descrito por su función de onda. = Probabilidad de encontrar electrón en x

60 Premio Nobel Física, 1932 W. Heisenberg ( ) Formulación matricial de la mecánica cuántica. Principio de incertidumbre

61 El F=ma cuántico Ecuación de Schrödinger

62 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:

63 La molécula de Hidrógeno...

64 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

65 Paradojas: el gato de Schrodinger

66 Mecánica Cuántica: la teoría de TODO Química de Atomos y Moléculas (< átomos) Estructura electrónica de sólidos: Metales, aislantes, semiconductores Magnetismo Superconductividad. > átomos Física Nuclear. Física de Partículas + Relatividad

67 Mecánica Cuántica: la teoría de los sólidos Estructura electrónica de sólidos: Metales, aislantes, semiconductores Magnetismo Superconductividad. > átomos

68 ¿Qué es un sólido? Una estructura PERIODICAMENTE repetida

69 Metal Aislante

70 ¿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

71 Principio de exclusión W. Pauli ( ) Premio Nobel Física, 1945 Sociología de los electrones (I) E. Fermi ( ) Premio Nobel Física, 1938 Paul Dirac ( ) Cambridge Florida Generalizan mecánica estadística para el caso de electrones

72 Mecánica Cuántica de los Electrones en un cristal Premio Nobel Física, 1952 Felix Bloch (Suiza) Zonda Prohibida

73 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

74 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)

75 J. Bardeen TRANSISTOR (Bell Labs, NJ, USA) Willian Schockley, John Bardeen, Walter Brattain (1947, ATT Labs, USA) Premio Nobel 1956

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

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

78 1951: Whirlwind Computer – The First to Display Real Time Video

79 Primer ordenador con electrónica Completamente transistorizada.

80 J. Kilby (Texas Instruments, US) inventa el circuito integrado Premio Nobel Física, 2000

81 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) ( )

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83 Procesador Pentium= Un Chip con 100 millones de transistores. 1 cm 2 /10 8 =10 -8 cm 2 = (10 -4 cm) (10 -4 cm)=(0.1 m) 2

84 CONCLUSION 1 Compresión de la naturaleza a escala atómica = Mecánica Cuántica

85 CONCLUSION 2


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