La idea directora de Heisenberg al establecer su Mecánica de las Matrices, la primera, pero definitiva forma de la teoría cuántica moderna, es que hay que establecer la Mecánica Cuántica, basada enteramente en relaciones entre magnitudes observables. Esto dice, literalmente, el Abstract del trabajo original, recibido el 29-VVII-1925. En particular, conocemos del átomo sus líneas espectrales, pero todo intento de poner de relieve las órbitas que Bohr utiliza en la teoría cuántica antigua 1913-25 no tiene correspondencia experimental: el átomo se ioniza al “mirarlo”; Heisenberg por ello desarrolló un cálculo con las amplitudes que aboca enseguida al álgebra no conmutativa basada en [p, q] =h/2πi, etc. Ese “positivismo” que resuma Heisenberg. Que hunde sus raíces en A. Compte se califica a veces de instrumentalismo por algunos filófosos de la Ciencia (A. Ribadulla, por ejemplo).

El primer enfrentamiento es con Einstein. Empecemos con el diálogo Einstein-Heinsenberg en 1926, cuando Einstein rechaza la incipiente interpretación de la Mecánica Cuántica (estamos todavía a un año del Principio de Incertidumbre o Indeterminación) como elevación a categoría científica sólo de lo observable, y Heisenberg replica que él (W.H.) repite, en su rechazo de las órbitas electrónicas, el mismo argumento por el que Einstein negó la simultaneidad absoluta y abrió la escotilla para el tiempo relativo, dependiendo del estado de movimiento, al sentar la relatividad especial (1905).

Pero lo mejor es la respuesta de Einstein: “Es posible que yo sostuviera eso entonces, pero es una tontería de todos modos. Es la teoría quien determina qué es lo que debe ser observado”. Moraleja: cuando uno es joven tiene menor perjuicios y está abierto a leer directamente de la naturaleza; al madurar, se impone ver la realidad a través de las cosas preestablecidas (prejuicios adquiridos o rescatados).

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¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos? Pero, ¿Qué es un Bosón?

Bueno, un Bosón es una partícula elemental con espín entero, es decir, una partícula que obedece a la estadística de Bose-Einstein de la cual deriva su nombre, y, cuando hablamos de estadística cuántica nos estamos refiriendo a la descripción estadística de un sistema de partículas que obedece a las reglas de la mecánica cuántica en vez de las de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados.

La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas pueden ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas se llaman Bosones. Los bosones tienen momento angular  nh/2π, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck. Para Bosones idénticos, la función de onda es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, se aplica la estadística de Fermi-Dirac y las partículas se llaman fermiones. Los fermiones tienen momento angular  (n + ½) h/2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema  espín-estadística.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasi partículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

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¿Cuántas generaciones de partículas existen? El modelo estándar no predice el número de generaciones de fermiones (quarks y leptones). Hoy conocemos tres generaciones, pero podrían existir más. Una cuarta generación dentro del modelo estándar estaría formada por dos quarks pesados y y dos leptones pesados y . Cualquier otra opción implicaría física más allá del modelo estándar. En este caso SM4 sustituiría a SM3, como SM3 sustituyó a SM2 en los 1970. (Fuente Francis (th)E mule Science’s News).

Pero hablemos de partículas “bellas” de materia y antimateria. Así se titula un magnifico artículo de Don Alberto Ruiz Jimeno, miembro del Grupo de Altas Energías del Instituto de Física Moderna Universidad de Cantabria y Jefe del Grupo de Altas Energías. En él nos dice que:

El resultado procede del análisis de CDF de miles de millones de colisiones de protones y antiprotones producidos en el colisionador Tevatron del Fermilab. De acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein, energía es igual a masa, por lo que esas colisiones de alta energía pueden lanzar a la existencia a partículas subatómicas masivas no vistas en nuestro mundo cotidiano. Los físicos intentan entonces identificar esas partículas estudiando las combinaciones de partículas más familiares en las que decaen.

“Nuevos bariones constituidos por tres Quarks, como los protones, pero conteniendo el quarks b (“belleza”) han sido observado en el experimento CDF del Acelerador del Tevatrón de protones y antiprotones. Por otra parte (nos dice), se ha observado por primera vez la oscilación de los mesones B, entre materia y antimateria. Dado que el artículo puede tener un alto interés para ustedes, he creído positivo transcribirlo aquí para gozo del personal que, con estos nuevos conocimientos (como me pasó a mí), podrán aumentar los suyos.

La física de partículas elementales tiene por objeto el estudio de los constituyentes más elementales de la materia y de las fuerzas fundamentales que rigen su comportamiento. La dinámica de estos bloques fundamentales viene formulada por la mecánica cuántica relativista.

El denominado Modelo Estándar establece que los bloques elementales de la materia tienen un momento magnético intrínseco (spín) de valor ½, denominándose fermiones por verificar las leyes de la estadística cuántica que formularon Fermi y Dirac a comienzos del siglo XX. A su vez, las fuerzas fundamentales vienen determinadas por el intercambio de cuantos de energía, con spin 1 (salvo el hipotético gravitón que tendría spin 2), llamado bosones al verificar las leyes estadísticas cuántica establecidas por Bose y Einstein, en el mismo siglo XX.

Los Bosones de interacción son el fotón, causante de la interacción electromagnética; los bosones vectoriales W⁺, W^– y Z⁰, causantes de la interacción nuclear débil; los ocho tipos de Gluones que confinan a los Quarks en hadrones (como el protón o el neutrón) a causa de la interacción fuerte nuclear, y el gravitón u onda gravitacional que explicaría la interacción gravitatoria. La fuerza gravitacional es despreciable a escala subatómica, pero es la dominante a grandes escalas. Su portador aún no ha sido observado; de hecho, su existencia requeriría una teoría cuántica de la gravitación, que aún no ha sido formulada.

Los fermiones de materia se denominan quarks o leptones, siendo los primeros los que están sometidos a los cuatro tipos de interacciones y los segundos los que no están sometidos a la interacción nuclear fuerte; en cualquiera de los casos, la interacción electromagnética solo afecta a las partículas que poseen carga eléctrica y la interacción gravitatoria a las que poseen masa.

Los quarks son de seis tipos o sabores,  así como los leptones. Unos y otros se clasifican en familias o generaciones, siendo la más ligera la constituida por los quarks y los leptones electrón y neutrino electrónico. Los nucleones, protón y neutrón, tienen la estructura de quarks, respectivamente uud y udd. Los átomos tienen un núcleo interno constituido por nucleones y electrones orbitando en torno al mismo.

El resto de quarks y leptones constituyen materia exótica, siendo producidos en los aceleradores de partículas y en la radiación cósmica, pero formaban parte de la materia original del Universo primitivo. Los quarks pueden tener, además, tres tipos de carga fuerte o “color”.

Además existen otros doce sabores correspondientes a la antimateria, en forma de anti-quarks y anti-leptones, con las mismas masas que los quarks y leptones correspondientes, pero con sus cargas invertidas. No se ha observado antimateria en el Universo actual, pero el Universo primigenio tenía igual cantidad de materia que de antimateria. Toda la antimateria actual es producida en los choques de partículas aceleradas, como consecuencia de la transformación de energía en pares materia-antimateria.

La ecuación cuántica relativista que gobierna el comportamiento de los fermiones es la ecuación de Dirac, debida al famoso físico inglés. Las soluciones de dicha ecuación incluyen las denominadas partículas de antimateria, que poseen la misma masa que la partícula correspondiente, pero tienen todas sus “cargas” internas, como la carga eléctrica, con el signo opuesto. Así por cada quark tenemos un antiquark y por cada leptón un antileptón. Cuando un fermión y su correspondiente antifermión se encuentran se aniquilan mutuamente, convirtiéndose en energía y, a la viceversa, si tenemos energía superior a la suma de las masas de fermión y antifermión, puede convertirse en un par fermión-antifermión.

El 7 de agosto de 1912, el físico austriaco Victor Franz Hess descubrió esta potentísima fuente de energía llegada del espacio, lo que años después le supuso el premio Nobel ABC.ES / MADRID V.F. SOCIETY    Víctor F. Hess, en un globo entre 1911 y 1912.

La historia de la Física de Partículas debe mucho al descubrimiento de los rayos cósmicos, realizada por el físico austríaco Francis Hess, en 1912, y apodados como tales por el físico americano Robert Millikan, en 1925. Los experimentos de Hess, utilizando globos aerostáticos, concluyeron que la cantidad de radiación crecía por encima de los 2000 metros de altura y la fuente de los mismos eran el Sol y otras fuentes procedentes del firmamento.

A partir de esa fecha y hasta mediados del siglo XX, gracias a los experimentos con rayos cósmicos, el número de tipos diferentes de partículas observadas, que previamente se reducían al protón y el electrón, se multiplicó, creándose un auténtico caos que obligó a pensar en esquemas de clasificación de las mismas.

                                                                                                                                       Esquema de un sincrotrón

El sincrotrón es un tipo deacelerador de partículas.  Se diferencia de otros aceleradores en que las partículas se mantienen en una órbita cerrada. Los primeros sincrotrones se derivaron del ciclotron. que usa un campo magnético constante para curvar la trayectoria de las partículas, aceleradas mediante un campo eléctrico también constante, mientras que en el sincrotrón ambos campos varían. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotrón emitida por las partículas al girar es igual a la energía suministrada. Los sincrotrones también se utilizan para mantener las partículas circulando a una energía fija; en este casos reciben el nombre de «anillos de almacenamiento».

En 1947, los físicos del Laboratorio Lawrence Berkeley, de California, construyeron el primer gran acelerador, un ciclotrón, comenzando la era de los grandes aceleradores de partículas, que continuaron descubriendo nuevos tipos de las mismas, de modo que, en 1960, había cientos de tipos de partículas observadas, sin que hubiera, aún, un esquema de clasificación adecuado. Este fue desarrollado durante la década de 1960, en la que el análisis de las colisiones de partículas, y las propiedades de los diferentes tipos de interacción observadas, establecieron la base para la construcción del Modelo Estándar.

    Sí, las fuerzas fundamentales, o, interaciones… ¡Están presentes en todas partes por el Universo! Son las que marcan el ritmo

Las leyes que rigen el comportamiento de las interacciones fundamentales y sus propiedades de simetría permitieron establecer un marco de clasificación de los hadrones (partículas compuestas por quarks, como es el caso del protón) que pueden ser de dos tipos: Bariones, si en su constitución tenemos tres quarks, o mesones, si si están constituidos de un quark y un antiquark.

En realidad, la dinámica de los hadrones está determinada, esencialmente, por la interacción nuclear fuerte, de modo que los quarks constituyentes son los quarks de “valencia”, en analogía con los electrones de valencia de los átomos (los que fijan sus propiedasdes químicas). En la dinámica de la interacción fuerte nuclear hay un continuo intercambio de Gluones entre los quarks y reacciones de producción y aniliquilación de quarks y antiquarks mediante Gluones.

Esta dinámica es debida a la existencia de una propiedad intrínseca de los quarks que denominamos “color”, que es intercambiada en las reacciones de Quarks y Gluones. Los hadrones son,  globalmente,  neutros de color (como los átomos son neutros de carga eléctrica) y es tan fuerte y característica la interacción que los quarks están confinados en unas dimensiones especiales inferiores al tamaño de los núcleos de los átomos, siendo paradójicamente casi libres en el interior de los hadrones (libertad asintótica de los quarks).

La fuerza nuclear fuerte es la más potente de la Naturaleza y mantiene el núcleo de los átomos unidos

El Modelo Estándar ha sido comprobado desde su desarrollo formal, a mediados de 1960, y sus parámetros han sido medidos con extraordinaria precisión, gracias al desarrollo de experimentos muy potentes, entre los que destacan los realizados en el acelerador LEP (“Large Electrón Positrón”) del CERN ( Centro Europeo de Física de Partículas, en Ginebra), durante la última década del siglo XX, y del Tevatrón del Laboratorio Fermilab (Chicago, USA), aún en funcionamiento.

A continuación viene una referencia al LHC que, a estas alturas está sobrepasada por conocer todos nosotros lo que ha pasó en su inauguración y sus primeras pruebas. Así que, no me parece oportuno plasmar aquí esa referencia que conoceremos de primera mano cuando sucedieron los hechos y toda la prensa los publicó.

emilio silvera

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En los últimos años se han desarrollado materiales que, debido a su estructura nanométrica, presentan nuevas propiedades, y por tanto tienen aplicaciones en campos tan diversos como son la transmisión de información mediante luz, el almacenamiento de datos, la generación y el transporte de energía eléctrica, la síntesis de catalizadores, la elaboración de textiles más resistentes, o la implantación de nuevos implantes óseos.

El gran número de nuevos materiales y dispositivos demostradores que se han desarrollado en estos años ha sido fruto, por un lado del desarrollo de sofisticadas técnicas de síntesis, caracterización y manipulación que se han puesto a punto y, por otro, del gran avance en los métodos de computación en la nanoescala (técnicas ab-initio, dinámica molecular, etc.) que se han probado en las grandes instalaciones dedicadas al cálculo científico de altas prestaciones. Es precisamente la combinación de experimentos punteros con métodos teóricos precisos un elemento esencial para comprender un gran número de procesos y mecanismos que operan en la nanoescala. En concreto, una de las aportaciones teóricas más importantes al desarrollo de la Nanotecnología ha llegado de la mano de la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT, en sus siglas en inglés) por la que en 1998 Walter Kohn recibió el Premio Nobel en Química, compartido  con John A. Pople, “padre” de la Química Cuántica. Con respecto al desarrollo experimental, cabe resaltar el alto grado de desarrollo de las técnicas SPM para ver y manipular la materia a escala nanométrica en multitud de ambientes diferentes (ultra alto vacío, humedad controlada, celdas catalíticas, temperaturas variables,…). Esta capacidad nos ha permitido diseñar nuevos experimentos con los que comprender el comportamiento de nuevos materiales y dispositivos. Dado la gran variedad de materiales y sus  aplicaciones, es imposible en un artículo presentar una visión completa de la situación de la Nanotecnología, por lo que nos vamos a limitar a presentar algunos ejemplos que ilustran el estado actual de este campo.

Hacia la electrónica molecular

Debido a su tamaño nanométrico, las estructuras moleculares pueden poner de manifiesto nuevas propiedades electrónicas. Sin embargo, la necesidad de poder producir estructuras nanométricas de forma masiva, tal y como requieren las aplicaciones industriales hace que la manipulación individual de nano-objetos como las moléculas pase a un segundo plano, requiriéndose alternativas más útiles para incorporar la Nanotecnología a los procesos de fabricación. Por esta razón, en los últimos años se están estudiando profusamente  las condiciones de formación y las propiedades de capas autoensambladas de diferentes moléculas orgánicas sobre superficies. En estos casos la superficie no sólo proporciona un soporte, sino que posee un papel activo en la formación de diferentes patrones moleculares en dos dimensiones. Así, la posibilidad de generar sistemas autoensamblados de moléculas con propiedades bien definidas y dirigidas hacia la realización de funciones concretas abre un camino para cambiar desde el imperante paradigma del silicio en la electrónica hacia otro basado en la electrónica molecular. Este nuevo paradigma será mucho más rico por la gran diversidad de componentes moleculares que pueden entrar en juego. Entre los componentes prometedores para la Nanotecnología, que están relacionados con las moléculas orgánicas, y que habrá que tener en cuenta en el futuro de la microelectrónica, estarán los fullerenos, los nanotubos de carbono y el grafeno, de los que hablamos a continuación.

Los fullerenos o “bucky-balls”

Con este nombre se denomina al conjunto de distintas moléculas cerradas sobre sí mismas con formulación. El más conocido, por lo estable y abundante en naturaleza es el llamado Cn. El más conocido, por lo estable y abundante en la Naturaleza es el llamado C₆₀, que está formado por 12 pentágonos y 20 exágonos, dispuestos como en un balón de futbol. Las aplicaciones Nanotecnológicas que se pueden derivar del uso de esta molécula están todavía en fase de estudio y son muy variadas. Sin embargo, aunque actualmente no existen aplicaciones concretas ya se han sintetizado más de mil nuevas moléculas basadas en fullereno y hay más de cien patentes internacionales registradas. El carácter rectificador de los fullerenos les hace atractivos para su uso en electrónica molecular.

La formación de este tipo de estructuras se produce más fácilmente de lo que podemos imaginar, pues son uno de los principales integrantes de la carbonilla y se generan abundantemente en cualquier combustión. Sin embargo, a día de hoy uno de los principales problemas para su utilización es el de conseguir una síntesis controlada de fullereno. Esto requiere complicadas técnicas, tales como la vaporización del grafito o la pirolisis láser, que normalmente producen exclusivamente los fullerenos más estables. Recientemente se ha propuesto un nuevo método para conseguirlo basado en principios “nano”. Se trata de partir de una molécula precursora sintetizada de forma tal que sea como un fullereno abierto, con los enlaces rotos saturados por hidrógeno. Esta molécula se puede plegar sobre sí misma mediante una transformación topológica de manera que de lugar a un fullereno. Se trata de partir de una estructura plana (un recortable) para posteriormente ensamblar un objeto en tres dimensiones. Este plegado se consigue mediante un proceso des-hidrogenación catalizada por una superficie. Una vez que la molécula plana ha perdido estos hidrógenos se cierran sobre sí misma de forma expontánea formando un fullereno.

Este proceso se ha podido seguir, entre otras técnicas, mediante imágenes de microscopía túnel in-situ. Los mecanismos existentes en el proceso se pueden entender gracias a los cálculos ab-initio que apoyan la investigación experimental. Esta combinación pone de manifiesto como una molécula plana de carbono sin hidrógeno se pliega expontáneamente. La belleza de este nuevo método de síntesis reside en que si se sintetizan moléculas precursoras planas con diferentes topologías se pueden conseguir moléculas cerradas de diferentes formas, tamaños e incluso que contengan átomos diferentes al Carbono. Así se ha sintetizado por primera vez la molécula C₅₇ N₃ sobre una superficie.

¡La Naturaleza! La NASA encontró fulerenos esféricos o buxkybolas en la nebulosa Tc1 a 6.000 años-luz. Posiblemente sean una de las moléculas más bellas que podamos encontrar, es una de las formas más estables del carbono, y sus 60 átomos se distribuyen formando 20 hexágonos y 12 pentágonos que ofrecen una forma idéntica al clásico balón de fútbol.

Nanotubos de Carbono

Si el descubrimiento del C₆₀ fue un hito importante para la Nanotecnología, el de los llamados Nanotubos de Carbono lo ha superado con creces. Los Nanotubos de Carbono, unas diez mil veces más finos que un cabello, presentan excelentes propiedades físicas y su fabricación resulta relativamente económica. Un cable fabricado de Nanotubos de Carbono resultaría diez veces más ligero que uno de acero con el mismo diámetro pero sería ¡cien veces más resistente! A estas impresionantes propiedades mecánicas se le añaden unas interesantes propiedades eléctricas, puesto que pueden ser tanto conductores como aislantes, según la topología que presenten.

Un Nanotubo de Carbono se obtiene mediante el plegado sobre sí mismo de un plano atómico de grafito (enrollándolo). Según como se pliegue el plano grafítico se obtiene un Nanotubo que puede conducir la corriente eléctrica, ser semiconductor o ser aislante. En el primer caso, los Nanotubos de Carbono son muy buenos conductores a temperatura ambiente, pudiendo transportar elevadas densidades de corriente. En el segundo presentan propiedades rectificadoras. Por otra parte, si inducimos defectos en la estructura podemos generar moléculas semiconductoras y así formar diodos o transistores. Es decir, tenemos todos los elementos en nuestras manos para construir nanocircuitos basados en Carbono.

Grafeno

A un solo plano atómico de grafito se le llama grafeno, y éste, a diferencia del grafito, es difícil de obtener. Recientemente, mediante cálculos teóricos, se han realizado predicciones acerca de las importantes propiedades electrónicas que podría tener este material. Entre ellas una altísima movilidad electrónica y una baja resistividad, de manera que estos planos atómicos podrían ser los futuros sustitutos del silicio en los dispositivos electrónicos. Ahora bien, al día de hoy, estas propuestas provienen esencialmente de cálculos teóricos y, por tanto, antes de que el grafeno pase a sustituir al silicio en la electrónica del futuro, es necesario verificar las predicciones teóricas en el laboratorio. Actualmente, éste es un campo muy activo de investigación, y muchos grupos están trabajando en la obtención de capas de grafeno soportadas sobre diferentes materiales, como polímeros o aislantes, para poder determinar sus propiedades eléctricas y comprobar las predicciones teóricas.

El estudio de grafeno sobre metales de transición es un campo muy activo de investigación ya que las capas de grafeno crecen de manera fácil, muy controladas y con un bajo número de defectos sobre estas superficies. Además el grafeno sobre un substrato forma patrones conocidos como redes de Moiré, en las que la periodicidad atómica de las dos redes cristalinas (substrato y grafeno), coincide cada dos-tres nm, dando lugar a deformaciones de la capa de grafeno, que se reflejan como prominencias en la imagen STM.

Nanohilos

No sólo las moléculas, los Nanotubos o el grafeno son las apuestas para sustituir al silicio. Otros elementos como los Nanohilos fabricados a partir de materiales semiconductores o los Nanohilos metálicos tendrán también cierto protagonismo. En concreto, los Nanohilos semiconductores presentan un gran potencial como transistores pero también presentan aplicaciones en campos como octoelectrónica o en la fabricación de censores biológicos. Por otro lado los Nanohilos metálicos, cuya síntesis controlada es más difícil, poseen gran interés como interconectores. En el caso de los Nanohilos formados de materiales Ni, Co o Fe se puede aprovechar también su potencial comportamiento magnetorresisitivo para ser usados en dispositivos de almacenamiento magnético. Los Nanohilos metálicos son interesantes a su vez porque los efectos de tamaño inducen en ellos la aparición de transiciones de fase martensíticas y la aparición de configuraciones no cristalinas.

En el siguiente hablaremos de las Nanopartículas y la fuente de estos conocimientos aparece publicada en…

Editadas por la RSEF.

Publica: emilio silvera

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