Física del estado sólido

apuntes de la física del estado sólido .- ....................:Las propiedades físicas del estado sólido, es la rama de la propiedad física de la materia condensada que trata sobre el estudio de los sólidos, es decir, la materia rígida o semirígida. Estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos utilizando disciplinas tales como la mecánica cuántica, la cristalografía, el electromagnetismo y la metalurgia física. Forma la base teórica de la ciencia de materiales y su desarrollo ha sido fundamental en el campo de las aplicaciones tecnológicas de microelectrónica al posibilitar el desarrollo de transistores y materiales semiconductores.*
 

Richard P. Feynman

          Podría definirse Física de la Materia Condensada como la disciplina que trata de explicar las propiedades de las formas densas de la materia (líquidos y sólidos) sobre la base de su constitución atómica y de las interacciones entre las partículas constituyentes. La comprensión de las propiedades de las fases condensadas de la materia desde el nivel microscópico al macroscópico constituye uno de los logros más importantes de la Física del siglo XX. Además, según A. F. Jojlov, en 1995 la mitad de los físicos del mundo comprometían su investigación en el dominio de la Física de la Materia Condensada. Basta con recordar el modo en que la Electrónica está presente en nuestra vida cotidiana para reconocer que la razón asiste a Jojlov.

          Esta web se dedica a la docencia de algunos aspectos de la Física de la Materia Condensada. En concreto, éstos son la Física de Materiales, que estudia fundamentalmente la estructura de los sólidos y algunas técnicas de caracterización de éstos y la Física del Estado Sólido, que estudia el comportamiento de los sólidos cristalinos a partir de sus estructuras y de las interacciones entre sus constituyentes a escala atómica. Ambas asignaturas se incluyen en el plan de estudios de 1999 (a extinguir) de la Licenciatura en Física de la Universidad de Extremadura. Además, incluyo información de la asignatura denominadaFísica I, impartida en el primer curso del grado en Biología desde el curso académico 2009-2010.

          La cita de Richard Feynman al principio de la página no es gratuita. El desempeño docente, considerado con seriedad y rigor, es una actividad ante la que incluso los grandes nombres de la Física descubren su pequeñez. Bajo esta premisa, esta web no pretende, en absoluto, constituir una herramienta docente de uso cotidiano por parte de alumnos o profesores. Los contenidos recogidos en ella tienen esencialmente un carácter informativo: se indican esquemáticamente los contenidos de cada asignatura, los criterios de evaluación, la bibliografía recomendada, etc. En el apartado ENLACES se enumeran algunas páginas webs que contienen material de apoyo para el estudio de las asignaturas (en particular, Applets Java que permiten visualizar algunos aspectos particularmente áridos). Los contenidos desarrollados de cada una de las asignaturas (incluídos apuntes y transparencias de clase), las actividades de seguimiento y evaluación y las calificaciones están a disposición de los alumnos en el Campus Virtual de la UEx. Ésta sí que es la herramienta que se debe utilizar para abordar las asignaturas aquí recogidas.

La mecánica cuántica viola las desigualdades de Bell, lo que implica que no existe una teoría precuántica local y realista de variables ocultas. Por primera vez se ha logrado demostrar en un sistema físico de estado sólido, cubits superconductores tipo Josephson. Un par de cubits entrelazados cuya medida cuántica simultánea viola la versión de Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) de la desigualdad de Bell. El valor cuántico medido excede el valor clásico en 244 desviaciones estándares. Este experimento es una prueba casi definitiva de que un cubit implementado con un diodo superconductor tipo Josephson es un sistema cuántico a escala macroscópica. El artículo técnico es Markus Ansmann et al., “Violation of Bell’s inequality in Josephson phase qubits,” Nature 461: 504-506, 24 September 2009.

En física clásica las leyes deterministas permiten una descripción completa de la evolución de un sistema físico. La mecánica cuántica pretende lo mismo, sin embargo, el proceso de medida involucra una incertidumbre en el resultado que ha llevado a muchos, entre ellos a Einstein, a proponer que la descripción cuántica es incompleta. La medida cuántica de partículas entrelazadas añade a la impredicibilidad del resultado de la medida ciertas correlaciones muy fuertes entre las medidas de las partículas individuales que llevan a experimentos mentales aparentemente paradójicos como el desarrollado por Einstein, Podolsky y Rosen. El protocolo CHSH describe un experimento de este tipo con un test estadístico que permite distinguir entre una física precuántica clásica que predetermina el resultado y una física cuántica impredecible. Sin entrar en detalles técnicos, cierta magnitud tendría un valor |S|<= 2 si existiera una teoría clásica que predeterminara los resultados de la medida, mientras que un modelo puramente cuántico permitiría alcanzar un valor mucho mayor, hasta |S|<=2.828. Más aún, si los resultados de las medidas fueran completamente aleatorios el resultado sería |S|=0. Un experimento demuestra una violación de la desigualdad de Bell tipo CHSH si se obtiene un resultado |S|>2.

La deducción de las desigualdades de Bell siempre involucra ciertas hipótesis, que si no cumplen, nos llevan a posibles lagunas (loopholes) en el argumento que, en principio, permitirían que un experimento mostrara violaciones de Bell incluso para procesos predeterminados clásicamente. El primer loophole es la hipótesis del muestreo justo, también llamado laguna de la detección, afectando a los experimentos en los que el resultado además de 0 y 1 puede ser también un “no detectado.” Por ejemplo, en los experimentos con fotones, cierta fracción de fotones se pierden, no son detectados por los mejores detectores disponibles. El segundo loophole es la hipótesis de localidad o causalidad, que aparece cuando la detección de las dos partículas entrelazadas no se realiza con una separación suficientemente grande que garantice que una señal a la velocidad de la luz no pueda transmitir la información cuántica en el experimento.

Los autores de este nuevo trabajo afirman que su experimento cubre ambas lagunas (loopholes). Son capaces de generar un par de cubits entrelazados con absoluta certidumbre (un 96% de las veces) y una vez logrado pueden medir ambos cubits siempre, luego cumplen la hipótesis de muestreo justo (juego limpio). Por otro lado, los cubits están separados 3.1 mm y la medida se realiza en unos 30 ns, lo que garantiza su no localidad. La señal de Bell que han logrado medir en las condiciones óptimas de su experimento es de |S|=2,07326 +/- 0,0003, que corresponde a una violación de 244 desviaciones estándares. El valor ha sido obtenido tras promediar 34,1 millones de medidas. Se estima teóricamente que si todas las medidas fuera perfectas este resultado equivale a |S|=2,355.

Este tipo de experimentos son extremadamente difíciles de realizar, por ello, este trabajo es un gran resultado experimental, que, sin lugar a dudas,vuelve a corroborar que la mecánica cuántica es una descripción completa bajo la cual no subyace ninguna precuántica clásica que predetermine sus resultados.