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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.

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de la mec nica cu ntica al chip
De la Mecánica Cuántica al Chip

JoaquínFernández Rossier, Departamento de Física Aplicada, Universidad de Alicante

3 de Noviembre de 2004

Fronteras de la Física

Universidad de Alicante.

slide3

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

qu es 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)
slide28

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

slide30

¿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)
slide31

¿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
slide32

Oficina Correos 2000

Oficina Correos 1900

Tubos Neón

M.S.

Ordenadores

M.S.

M.S.

Plástico

slide33

1897

Descubrimiento del electrón.

(Cambridge, UK)

J.J. Thompson (1856-1940) descubre

el “electrón” (Cambridge, UK)

Medida de e/m

Premio Nobel Física, 1906

slide34

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

slide36

1900

Cuantización de la energía

(Berlin, Alemania)

Espectro

Emisión

Cuerpo negro

Intensidad

M. Planck

(1858-1947)

Longitud de

onda

Premio Nobel Física, 1918

slide37

Cuantizacíon

1900

Constante de Planck

“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”

slide38

Cuantizacíon

1900

Constante de Planck

“Experience will prove whether this hypothesis is realised in nature”

MASA=M

Velocidad v

slide39

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

slide40

1905

Explicación del efecto fotoeléctrico

Albert Einstein

(1879-1955)

Premio Nobel Física, 1921

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

slide41

Explicación del

efecto fotoelectrico

1905

Constante de Planck....

OTRA VEZ

slide42

1905

Teoría de la Relatividad

Albert Einstein

(1879-1955)

Premio Nobel Física, 1921

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

slide43

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

slide44

1905

http://www.physics2005.org/

slide45

Medida de la carga de un electrón

1909

Robert Millikan

(1868-1953)

Premio Nobel Física, 1923

slide46

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

slide47

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide48

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide49

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide50

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide51

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide52

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide53

Descripción clásica del H

El electrón (carga negativa)gira en torno al protón (carga positiva)

slide55

SOLUCION:

Cuantización órbitas atómicas

1913

La energía de loselectrones está cuantizada

Niels Bohr

(1885-1962)

(Manchester, UK)

(Copenhagen, Denmark)

Premio Nobel Física, 1922

slide56

1914

1918

I Guerra Mundial

slide57

1921

Los electrones se comportan a la vez como ondas y como partículas.

Louis De Broglie

(1892-1987)

Premio Nobel Física, 1929

1921 recapitulando
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)
slide59

Formulación de la ecuación general

de la mecánica cuántica.

1926

Un electrón queda completamente descritopor su función de onda.

= Probabilidad de encontrar electrón en x

Erwin Schrodinger

(1887-1961) (AUS)

Graz, Berlin, Dublin

Premio Nobel Física, 1933

slide60

Formulación matricial

de la mecánica cuántica.

Principio de incertidumbre

1926

W. Heisenberg

(1901-1976)

Premio Nobel Física, 1932

el f ma cu ntico
El “F=ma” cuántico

Ecuación de Schrödinger

las reglas cu nticas
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:
mec nica cu ntica
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
mec nica cu ntica la teor a de todo
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

mec nica cu ntica la teor a de los s lidos
Mecánica Cuántica:la teoría de los sólidos

Estructura electrónica de sólidos:

Metales, aislantes, semiconductores

Magnetismo

Superconductividad.

>10.000 átomos

qu es un s lido
¿Qué es un sólido?

Una estructura PERIODICAMENTE

repetida

slide69

Metal

Aislante

qu pasa con los semiconductores
¿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

slide71

E. Fermi

(1901-1954)

Premio Nobel Física, 1938

Paul Dirac

(1902-1984)

Cambridge

Florida

W. Pauli

(1900-1958)

Premio Nobel Física, 1945

Generalizan mecánica estadística

para el caso de electrones

1925

Sociología de los electrones (I)

Principio de

“exclusión”

slide72

1928

Mecánica Cuántica de los

Electrones en un cristal

Zonda Prohibida

Felix Bloch

1905-1983

(Suiza)

Premio Nobel Física, 1952

f sica del estado s lido

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
slide74

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)
slide75

1947

J. Bardeen TRANSISTOR

(Bell Labs, NJ, USA)

Willian Schockley,

John Bardeen,

Walter Brattain

(1947, ATT Labs, USA)

Premio Nobel 1956

slide76

un transistor

  • Efecto de las impurezas en la conducción
  • Propiedades de las interfases
  • Conducción a través de interfases
  • Electrones y “huecos”
slide77

Premio Nobel Física, 1956

(por la invención del transistor)

Premio Nobel Física, 1972

(por la teoría de la

superconductividad)

slide78

1951

1951: Whirlwind Computer –

The First to Display Real Time Video

slide79

1955

Primer ordenador con electrónica

Completamente transistorizada.

slide80

1958

J. Kilby (Texas Instruments, US)

inventa el circuito integrado

Premio Nobel Física, 2000

slide81

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

slide83

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

slide84

CONCLUSION 1

Compresión de la naturaleza a escala atómica

=

Mecánica Cuántica