De pozos y corrales cuánticos

La física e investigadora del Instituto Balseiro Karen Hallberg detalló diversos aspectos de la mecánica cuántica.

De pozos y corrales cuánticos

Hallberg explica diversos aspectos de la mecánica cuántica. Foto: launion.com.mx.

Sociedad Unidiversidad Física cuántica y arte / por Karen Hallberg, física e investigadora del Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche / Publicado el 10 DE MAYO 2019

En un material en el que los electrones están restringidos a moverse en una zona pequeña del espacio puede manifestarse su carácter cuántico, es decir que podemos observar su característica ondulatoria. Por “pequeño” entendemos que el tamaño de la región es comparable a la longitud de onda del electrón (llamada longitud de De Broglie). Tamaños típicos van desde el micrón al nanómetro (o sea, desde una milésima de milímetro a una millonésima). Bajo estas condiciones, las leyes físicas que gobiernan el sistema no son las leyes de la mecánica clásica, sino las de la mecánica cuántica.

Por ejemplo, en 1913, Niels Bohr descubrió que en un átomo se dan estas condiciones y los electrones se describen como “funciones de onda” alrededor de los núcleos. Sus energías están cuantizadas, o sea que tienen valores definidos y no pueden tomar cualquier valor. Más recientemente, hace algunas décadas, la tecnología permitió fabricar sistemas artificiales en los que los electrones se encuentran confinados y en los que se observan claramente las propiedades cuánticas. Esto dio lugar a la nanociencia y la nanotecnología, que permite diseñar materiales con determinadas propiedades.

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Esos son los dos mundos que habitan al científico Alberto Rojo. El martes 14, a las 16, brindará un coloquio con entrada libre y gratuita en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNCUYO.

Podemos mencionar, por ejemplo, los pozos cuánticos en materiales semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs), donde los electrones se mueven en un plano (no en tres dimensiones). Este desarrollo dio lugar a cuatro premios Nobel.

Otro ejemplo son los alambres cuánticos, donde los electrones están confinados a moverse ya no en dos dimensiones como en el caso anterior, sino en una dimensión, como en un alambre pero muchísimo más delgado. Su diámetro es de entre 1 y 100 nanómetros y su largo, de unos 100 micrones (0,1 mm). Se pueden utilizar estos alambres para microcircuitos electrónicos con nanodiodos y nanotransistores. Entre los más versátiles, se encuentran los nanotubos de carbono, que son tubos formados naturalmente por átomos de carbono, o sea, una macromolécula. Fueron descubiertos por S. Ijima en 1991 en Japón. Están formados por láminas monoatómicas de grafito (el que encontramos en los lápices) enrollado.

Cada lámina está formada por hexágonos, como un panal de abejas en donde los átomos de carbono se encuentran en cada vértice. Podemos enrollar cada lámina de infinitas formas, uniendo los bordes por ligaduras químicas. Dependiendo de cómo se enrollen y del diámetro, podemos fabricar alambres semiconductores o conductores de electricidad. Sus propiedades son fascinantes. Debido a que el diámetro de estos nanotubos es muy pequeño, los niveles de energía electrónicos son discretos, como en un átomo, y como consecuencia, el transporte eléctrico (o corriente) está cuantizado, o sea, no sigue la ley de Ohm. Por esto, los nanotubos de carbono pueden ser usados como hermosos “alambres cuánticos” y pueden transportar densidades muy altas de corriente, varios órdenes de magnitud mayor que la transportada por los conocidos alambres de cobre.

 

Como una pelota de fútbol

Otras macromoléculas relacionadas, también formadas puramente por átomos de carbono, son las llamadas “fullerenos”: son exactamente iguales a una pelota de fútbol número 5 pero con un diámetro mil millones de veces más chico. Tienen la misma cantidad de hexágonos (20) y de pentágonos (12) que la pelota y está conformada por 60 átomos de carbono localizados en los vértices de estas figuras. Esta molécula fue descubierta por R. Curl, R. Smalley y H. Kroto, lo que les valió el Premio Nobel de Química en 1996.

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Como nota interesante, todos sabemos que el diamante es un material formado puramente por átomos de carbono (ubicados en una red tridimensional con un orden determinado). Pero acabamos de notar que si ordenamos estos átomos de carbono de otras formas (nanotubos, nanopelotas de fútbol), los materiales tienen propiedades totalmente diferentes. Todo esto se debe al comportamiento cuántico de los electrones.

Como dijimos al principio, si confinamos a los electrones en un lugar muy pequeño, comparable a su longitud de onda, podemos observar el comportamiento cuántico. Un ejemplo muy lindo e ilustrativo son los corrales cuánticos.

Gracias al avance tecnológico, podemos mover los átomos uno por uno sobre la superficie de otro material usando un microscopio túnel de barrido (STM). En el laboratorio de IBM en EE. UU., lograron formar un corral de 48 átomos de hierro sobre una superficie de cobre, formando un círculo de unos 10 nanómetros de diámetro. Los electrones que estaban adentro de esta elipse se encuentran confinados. Usando el mismo microscopio STM, se puede visualizar la densidad electrónica y tiene la forma de ondas. Estas ondas tienen la misma forma que las ondas estacionarias que se forman en un estanque circular o en la superficie de un tambor (se pueden calcular matemáticamente). 

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