Mecánica cuántica en su procesador: tunelización y transistores

A finales del siglo XIX, la mayoría de los científicos estaban convencidos de que el mundo natural estaba formado por átomos. [Einstein’s] Un artículo de 1905 sobre el movimiento browniano que vincula el comportamiento de partículas diminutas suspendidas en líquido con el movimiento de los átomos puso el clavo en el ataúd de la multitud antatómica. Nadie realmente podría ver átomos, sin embargo. El tamaño típico de un átomo varía de 30 a 300 picómetros. Con la longitud de onda de la luz visible entrando a unos asombrosos 400 – 700 nanómetros, simplemente no es posible “ver” un átomo. No es posible con luz visible, eso es. Era el verano de 1982 cuando Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, dos investigadores del Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich, mostraron al mundo la primera imagen visual de una estructura nuclear. Recibirían el Premio Nobel de Física por su invento en 1986.

El microscopio de túnel de barrido

El Microscopio de Túnel de Escaneo de IBM, o STM para abreviar, utiliza una aguja atómicamente afilada que perfora la superficie de un objeto (conductor de electricidad): la distancia entre la punta y un objeto es de solo unos pocos cientos de picómetros, o el diámetro de un átomo grande.

[Image Source]Se aplica una pequeña tensión entre la aguja y el objeto. Los electrones “se mueven” del objeto a la punta de la aguja. La aguja escanea el objeto, tal como se escanea una pantalla CRT. Se mide el flujo del objeto al requerido. La punta de la aguja se mueve hacia arriba y hacia abajo para que este valor actual no cambie, lo que permite que la aguja contornee perfectamente el objeto mientras escanea. Si se hace una imagen visual de los valores actuales después de que finaliza el escaneo, los átomos individuales se vuelven reconocibles. Algo de esto puede sonar familiar, ya que hemos visto a un puñado de personas hacer microscopios electrónicos desde cero. En lo que nos centraremos en este artículo es en cómo estos electrones “se mueven” del objeto a la aguja. A menos que esté bien versado en mecánica cuántica, la respuesta podría simplemente dejar su mandíbula en la misma posición que esta imagen de una máquina STM construida en casa.

Túnel cuántico

La mecánica cuántica es de hecho un mundo extraño. Las cosas cotidianas que asumimos, cosas como causa-efecto y leyes clásicas elementales, no funcionan en el mundo dentro del átomo. Las partículas que entran y salen son la norma aquí.

Los STM también pueden transferir átomos, como IBM ha demostrado con 35 átomos de xenón

De hecho, en las pequeñas escalas en las que estamos trabajando, las partículas pueden adquirir propiedades onduladas en un fenómeno conocido como complementariedad, que fue nuestro tema la semana pasada. Los electrones son partículas. Debajo de las partículas atómicas, es decir, que las abre a esta propiedad de la naturaleza de dualidad onda-partícula. Si miramos a los electrones como una partícula, no hay forma de que se muevan desde la superficie de nuestro objeto hasta la aguja. La resistencia es demasiado grande para que la supere el pequeño voltaje. Es lo que ellos llaman una barrera de energía. Pero los electrones obviamente cruzan la barrera. ¿Cómo? Bueno, si nos tomamos en serio la mecánica cuántica y miramos al electrón como una onda, es posible cruzar la barrera.

El advenimiento de la mecánica ondulatoria

En 1926, un hombre con el nombre de [Erwin Schrödinger] publicó un artículo que describe un increíble avance en la mecánica cuántica. De hecho, la etiqueta de “mecánica cuántica” no se formó hasta después de su famoso artículo.

La forma de onda golpea la barrera del eje y, pero parte puede pasar por alto. “Animación de túnel cuántico” de Yuvalr

Solo antes se llamaba teoría cuántica. [Schrodinger] Note que [Heisenberg’s] El principio de incertidumbre se ha relacionado con el comportamiento ondulatorio de las partículas. Incluso si la naturaleza de partícula y onda del electrón fueran complementarias, no obstante, estaban relacionadas. [Schrodinger’s] La mecánica ondulatoria utiliza la naturaleza ondulatoria del electrón para predecir su ubicación dentro de un cierto porcentaje. Cuanto mayor sea la amplitud, mayor será la probabilidad de encontrar una partícula. La observación del electrón da como resultado el llamado “colapso de la función de onda”, y asume las propiedades mutuamente excluyentes de una partícula u onda.

Es difícil expresar con palabras la importancia de este descubrimiento. La mecánica ondulatoria del mundo cuántico es análoga a [Newton’s] leyes del movimiento al macromundo. Les dio a los científicos la capacidad de predecir la ubicación probable de un electrón en el átomo. Muchos recordarán los orbitales s, p, d y f de la clase de química de la escuela secundaria. Estos fueron desarrollados utilizando los números cuánticos, como resultado de [Schrodinger’s] mecánica ondulatoria.

El túnel cuántico ahora se puede explicar por la amplitud muy pequeña de la onda de electrones que atraviesa la barrera de energía. La presencia de algo de la onda en el otro lado de la barrera representa una probabilidad de aparición del electrón. Envía suficientes electrones y aparecerán algunos.

El transistor de túnel

La tunelización cuántica no es algo bueno cuando se intenta encoger transistores que se hacen cada vez más pequeños. Los transistores necesitan barreras. Cuando los electrones comienzan a atravesar estas barreras, tienes problemas. Grandes problemas. De hecho, la tunelización cuántica establece un límite fundamental sobre cómo se pueden obtener pequeños transistores. Si alguna barrera interna se vuelve más delgada que un nanómetro, fluye demasiada corriente cuando el transistor se apaga. Sin embargo, podría ser útil diseñar un procesador para utilizar la mecánica cuántica en su beneficio: una computadora cuántica. Este será el tema del próximo artículo.

Artículos en el Mecánica cuántica en su procesador grave:

  • Complementariedad
  • Túneles y transistores
  • Fuentes:

    http://www.nanoscience.com/products/stm/technology-overview/tunneling/

    http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=1373

    http://www-03.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/microscope/

    Química: átomos primero, por Julia Burdge. Capítulo 3 ISBN-9781259208416

    • Olivier dice:

      ¡Artículo interesante! 🙂 Me encantaría que fuera un poco más largo, tal vez algo para recordar durante la próxima semana, ¡no tengas miedo de explorar genial!

    • Voja Antonic dice:

      Siempre me he preguntado qué mecánicos pueden ofrecer tal precisión desde el microscopio de barrido de túnel. ¿Qué principio se usa, no puedo creer que sean solo partes mecánicas?

      • PWalsh dice:

        Puede obtener esa precisión con un timbre de pieza. Tampoco son difíciles de construir.

        https://la-tecnologia.com/2015/01/13/cheap-diy-microscope-sees-individual-atoms/

        El mayor problema en las versiones de los piratas informáticos es obtener una sonda bastante precisa. Si trata en diagonal un alambre con cuchillas laterales y lo separa, a veces puede obtener un filo atómico en la punta, pero se desgasta (¿oxida?) Con el tiempo.

        También puede grabar alambres para obtener puntas afiladas.

        (Un amigo mío está construyendo uno de estos).

        • Dan Berard dice:

          El flujo del túnel que fluye entre el pico y la muestra aumenta exponencialmente a medida que se acercan. Esto es lo que le da al STM su increíble sensibilidad.

          Los cortadores de alambre suelen producir puntas de tungsteno bastante malas, pero a veces funcionan bien en muestras muy planas. El grabado con tungsteno oxigena la superficie, por lo que no es adecuada para STM sin limpieza (lo que requiere un buen sistema de vacío o HF concentrado). El alambre de Pt / Ir debería dar mejores resultados con cortadores de alambre y se puede grabar sin dejar una capa de óxido. Es caro, pero probablemente lo intentaré.

    • John Hanson dice:

      ¡Muy interesante! ¡Me temo que la teoría cuántica está empezando a tener sentido para mí!

    • Ralph Doncaster (Nerdo Ralph) dice:

      Mucho antes de la mecánica cuántica, los filósofos orientales se dieron cuenta de que el mundo esencialmente no puede estar hecho de partículas indivisibles. Si dos partículas estuvieran en contacto, un lado de una tocaría el lado del otro. Si algo tiene un lado izquierdo y un lado derecho, tiene 2 partes, por lo que no es indivisible.

      Las olas en realidad no se tocan; Se interrumpen y una ola no puede existir sin ambos “lados” de la ola.

      La gran pregunta es cuál es la nave espacial subyacente en la que se propagan las ondas.

      Una teoría interesante es que el espacio es un excedente cuantificado.
      http://einsteinsintuition.com/

      • twdarkflame dice:

        “Si algo tiene un lado izquierdo y un lado derecho, tiene 2 partes, por lo que no es indivisible”.

        Parece haber un doble defecto lógico ahí.
        1. El concepto de “lados” es una característica a escala humana, no necesariamente requiere ninguna realidad física.

        Tenemos muchos conceptos que representan cosas poco realistas. Sombras, por ejemplo. La sombra es solo la luz ausente. Tener el concepto no prueba que las sombras sean de alguna manera físicas. Simplemente describe la falta de luz en un área.
        “Izquierda y derecha” es igualmente una descripción de mi propia alineación en relación con otra cosa, no necesariamente concluye que hay “dos bits”

        2. Solo la presencia de dos partes clasificables por separado de algo no concluye lógicamente que puedan separarse.

        ¿Puedes separar un valle de las colinas a ambos lados?

        • Jcote dice:

          Gracias

        • ursussiara dice:

          ¿Qué hay de las “sombras” que quedaron en las paredes después de que un niño cayera en Hiroshima?

    • nicoinn dice:

      ¡Los átomos se podían “mirar” mucho antes de la invención de STM!

      La primera imagen de átomos individuales fue tomada el 11 de octubre de 1955 por Erwin W. Müller y Kanwar Bahadur utilizando microscopía de iones de campo (FIM).
      http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8348atoms.html

      • Es Sweatman dice:

        ¡Gracias por esto nicoinn! Nunca había oído hablar de FIM antes. Se ve bien.

    • Chris Sciacca dice:

      El STM, que ahora se puede combinar con un microscopio de fuerza atómica (AFM), también inventado por Binnig, crea imágenes increíblemente nítidas de moléculas. Aquí hay algunos ejemplos de un artículo reciente en Natural Chemistry: https://flic.kr/s/aHskfF87Pk

Ricardo Vicente
Ricardo Vicente

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *