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) 1897 2000 1947

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)

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

¿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

1897 Descubrimiento del electrón. Medida de e/m (Cambridge, UK) J.J. Thompson (1856-1940) descubre el “electrón” (Cambridge, UK) Medida de e/m Premio Nobel Física, 1906

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 (1856-1940) descubre el “electrón” (Cambridge, UK) Premio Nobel Física, 1906

1900 Cuantización de la energía Espectro Emisión Cuerpo negro (Berlin, Alemania) Espectro Emisión Cuerpo negro Intensidad M. Planck (1858-1947) Longitud de onda Premio Nobel Física, 1918

Cuantizacíon 1900 Constante de Planck “Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”

Cuantizacíon 1900 Constante de Planck “Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature” MASA=M Velocidad v

1905 Explicación del movimiento Browniano Relación distancia recorrida y número de Avogadro. Confirmación de teoría atómica Albert Einstein (1879-1955) Premio Nobel Física, 1921 http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

Explicación del efecto fotoeléctrico 1905 Explicación del efecto fotoeléctrico Albert Einstein (1879-1955) Premio Nobel Física, 1921 http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

Explicación del 1905 efecto fotoelectrico Constante de Planck.... OTRA VEZ

Teoría de la Relatividad 1905 Teoría de la Relatividad Albert Einstein (1879-1955) Premio Nobel Física, 1921 http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

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 http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

1905 http://www.physics2005.org/

1909 Medida de la carga de un electrón Robert Millikan (1868-1953)                                             Robert Millikan (1868-1953) Premio Nobel Física, 1923

Observa estructura atómica= Nucleos + electrones 1911 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 x x x x x x x

La energía de los electrones está cuantizada SOLUCION: Cuantización órbitas atómicas 1913 La energía de los electrones está cuantizada Niels Bohr (1885-1962) (Manchester, UK) (Copenhagen, Denmark) Premio Nobel Física, 1922

1914 1918 I Guerra Mundial

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 (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)

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 (1887-1961) (AUS) Graz, Berlin, Dublin Premio Nobel Física, 1933

1926 Formulación matricial de la mecánica cuántica. Principio de incertidumbre 1926 W. Heisenberg (1901-1976) Premio Nobel Física, 1932

El “F=ma” cuántico Ecuación de Schrödinger

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:

La molécula de Hidrógeno...

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

Paradojas: el gato de Schrodinger

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

Una estructura PERIODICAMENTE ¿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

1925 Sociología de los electrones (I) W. Pauli E. Fermi Paul Dirac (1900-1958) Premio Nobel Física, 1945 E. Fermi (1901-1954) Premio Nobel Física, 1938 Paul Dirac (1902-1984) Cambridge Florida Generalizan mecánica estadística para el caso de electrones Principio de “exclusión”

1928 Mecánica Cuántica de los Electrones en un cristal Zonda Prohibida Felix Bloch 1905-1983 (Suiza) Premio Nobel Física, 1952

“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

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)

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

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

1955 Primer ordenador con electrónica Completamente transistorizada.

1958 J. Kilby (Texas Instruments, US) inventa el circuito integrado                                 Premio Nobel Física, 2000

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) (1918-1988) Premio Nobel Física, 1965

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

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

CONCLUSION 2