Función de ondas de puntos cuánticos en bicapa de grafeno
Visualizan la amplitud de probabilidad de los electrones atrapados en puntos cuánticos creados en bicapas de grafeno.
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A veces algunos resultados científicos son importantes simplemente porque son bellos. Para algunos que vimos la función de onda en los libros de texto como funciones matemáticas, verlas de forma directa es todo un placer.
En realidad, la función de onda es compleja, es decir que vive en el plano matemático de los números complejos. Así que no se puede representar como una gráfica. Sí que se puede representar su densidad de probabilidad o amplitud, que es un función real y, en principio, algo que sería medible y, por tanto, visualizable en un reconstrucción de imagen.
Ya hace décadas, IBM demostró que esto era posible, incluso a nivel atómico, con su microscopio de efecto túnel (STM), en el que una aguja fina se paseaba por una superficie y que, a través del átomo que estuviera en su punta, se establecía una corriente por efecto túnel.
Eran bonitas sus representaciones de corrales cuánticos, una cerca de átomos en una superficie que mantenía a los electrones superficiales encerrados como si fueran ovejas o cabras. Ver las ondulaciones internas de la densidad de probabilidad de esos electrones, reflejo de la función de onda que se puede calcular para ese pozo de potencial, era fascinante.
No se ha avanzado mucho más desde esa época, porque ya entonces nos habíamos topado con la escala atómica. Un resultado reciente en este campo viene de la aplicación de esta idea a los puntos cuánticos.
Los puntos cuánticos son pozos de potencial cuadrados. Cuando se encierran electrones en ellos, estos tienen una serie de niveles de energía cuánticos que son similares a los de los átomos, pero no iguales. Esto se debe a que el potencial eléctrico de los átomos es de tipo coulombiano, es decir, como un embudo, mientras que en los puntos cuánticos son cuadrados, como una caja.
Los puntos cuánticos se confeccionan generalmente con semiconductores. Pese a que se inventaron hace ya más de veinte años, ha costado ver aplicaciones con ellos. Ya hay pantallas de televisión planas que los usan. Como se pueden construir puntos cuánticos a voluntad, se pueden crear «átomos» artificiales con ellos que estén sintonizados ópticamente para rendir un color concreto que corresponde a una salto entre dos de esos niveles de energía.
En el caso que nos ocupa se trata de puntos cuánticos construidos en una bicapa de grafeno. Investigadores de la Universidad de California en Santa Cruz han podido reconstruir su «función de onda», que es la que se muestra en la imagen de cabecera.
Según Jairo Velasco, ha habido mucho trabajo previo en el desarrollo de estos sistemas cuánticos, pero que se echaba de menos una mejor comprensión de qué aspecto tiene la función de ondas de los electrones en estos puntos cuánticos.
La idea de aplicabilidad de puntos cuánticos en este caso es usarlos como qubits en computación cuántica, un campo que tiene ahora mucho desarrollo. Dentro de algunas décadas se espera que con las computadoras cuánticas se puedan realizar cálculos que ahora son inviables, entre otros simulaciones de sistemas cuánticos.
Aunque los puntos cuánticos se han confeccionado con semiconductores como arseniuro de galio y similares, algunos investigadores se han centrado en crearlos en bicapas de grafeno. Este material es atractivo porque es barato y fácil de producir. Además, los puntos cuánticos que se pueden definir en estas bicapas tienen propiedades deseables. Entre otras propiedades deseables está que pueden suprimir la decoherencia de spin, se puede controlar los grados de libertad y se pueden sintonizar con un control de voltaje.
Comprender bien la función de ondas de los electrones en estos puntos cuánticos es fundamental para saber las propiedades básicas que determinan las cualidades del procesamiento cuántico de la información si estos actúan como qubits, la interacción entre electrones o el acoplamiento entre los mismos con el ambiente exterior.
En este caso los investigadores depositaron una mococapa grafeno sobre una cristal de nitruro de boro que es aislante eléctrico. Luego, con la punta del STM se aplicó un voltaje en ciertos puntos de tal modo que el nitruro de boro se quedaba cargado eléctricamente, creando así un corral cuántico muy pequeños y, por tanto, un punto cuántico. Digamos que el campo electrostático hace de «cerca» eléctrica del corral e impide que los electrones se escapen. Además se puede añadir otra capa de grafeno superior para formar una bicapa.
Entonces los investigadores barrieron con el STM el punto cuántico y sus alrededores para reconstruir la función de ondas. En contra de las predicciones que había sobre la forma de la función de ondas (de nuevo, densidad de probabilidad) se observó que tenía rota su simetría de rotación, con tres picos en lugar de unos anillos concéntricos.
Cuando se trata de una monococapa de grafeno, la función de ondas del punto cuántico sí tiene simetría de revolución, pero en la bicapa los estados del punto cuántico tienen una simetría de 120 grados. Los picos corresponden o representan sitios con alta amplitud de la función de ondas.
El trabajo proporciona información crucial, como la energía del espectro de los electrones en este tipo de puntos cuánticos, algo que es necesario para desarrollar dispositivos cuánticos basados en estos materiales.
«Es la pieza que faltaba del rompecabezas y junto con el trabajo de otros, creo que vamos hacia la creación de un sistema útil», dice Velasco.
Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com
Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Zhehao Ge, Frederic Joucken, and Jairo Velasco Jr.
28 Comentarios
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viernes 27 noviembre, 2020 @ 7:17 am
No entiendo como pidieron visualizar la función de onda (o si amplitud mejor dicho) … Pero me he quedado boca abierta al saber que pueden visualizarla.
La tecnología está avanzado a pasos realmente agigantados.
¿Que dice algo así sobre las interpretaciones de la mecánica cuántica?
viernes 27 noviembre, 2020 @ 1:31 pm
Amigo Javier.
A que interpretaciones te refieres ¿
En cuanto a cómo han conseguido la imagen de la densidad de probabilidad, (función de onda) tal vez algún compañero más preparado nos lo pueda explicar. Desde luego que es un logro técnico impresionante.
A mi personalmente no me ha sorprendido la noticia de conseguir la imagen. Desde siempre pensé que la función de onda en su versión matemática, era la representación abstracta (por cierto, muy precisa) de la onda real que el objeto producía en el Espacio Tiempo (que siempre identifiqué como el antiguo Éter.
Sigue un enlace sobre el Éter, que justamente hoy, ha aparecido en otra página de divulgación científica. Imagino que consigáis traducir o interpretar.
https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=quintessencia-fisicos-dizem-ter-detectado-quinto-elemento&id=010130201127#.X8DiumhKjDc
Para abrir el enlace, hacer Control+ Clic
viernes 27 noviembre, 2020 @ 1:45 pm
Tambien abre directamente al pinchar sobre el enlace,
Perdon por la confusión.
sábado 28 noviembre, 2020 @ 9:42 am
Por mi parte agradezco la contribución que aportas, amigo Eduardo. Yo también he pensado alguna vez que, si bien no puede existir un éter como el que pretendieron medir Michelson y Morley, ese vacío einsteniano no parecía posible, dado que todo el espacio intra e intergaláctico está pleno de radiaciones, e incluso se habla de uno o muy pocos átomos de hidrógeno por m^3. Es decir, que, como mínimo, algo hay.
Un abrazo.
lunes 30 noviembre, 2020 @ 4:26 am
Me refiero al debate si la función de onda es en efecto algo real… O solo una herramienta de cálculo, que esconde una realidad mayor.
lunes 30 noviembre, 2020 @ 8:42 am
Amigo JavierL: Tras tu insistencia, me he releído el artículo y también me asalta la duda de si eso es una imagen visible o una representación de resultados matemáticos. Bueno sería que los grandes entendidos que tenemos en esta página nos echasen una mano.
Abrazos.
lunes 30 noviembre, 2020 @ 12:55 pm
Amigos Tomas y Javier.
En el enlace al final, hay una detallada explicación del funcionamiento del microscopio de efecto túnel STM.
Leyéndolo, personalmente entiendo que, las imagines que se obtienen mediante la variación de corriente o movimiento de la aguja, son la representación de algo real. Personalmente entiendo esta, como la deformación que produce, en la región del Espacio-Tiempo próximo, el objeto analizado, en este caso el punto cuántico. Claro que estos movimientos o variaciones para poder ser vistos macroscópicamente, imagino que sean tratados por algún procesador de imágenes, tomando como base las alteraciones que se producen en la aguja del instrumento.
https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_efecto_t%C3%BAnel
lunes 30 noviembre, 2020 @ 8:48 pm
Estimado Tomás:
La imagen es una reconstrucción a partir de datos, igual que cualquier otra imagen de microscopía de efecto túnel.
martes 1 diciembre, 2020 @ 4:54 am
¡Un fuerte abrazo en tu regreso, querido amigo JavierL! ¿dónde estás ahora y que tal te va?
Desde hace unos meses tengo como compañera de trabajo a una joven doctora de Maracaibo que se llama Iuliana. Me despistó el primer día por lo poco marcado de su acento y no logré adivinar su procedencia. Después me explicó que en la zona de Venezuela de donde viene se dice que hablan muy parecido a los castellanos. Ni que decir tiene que la hemos acogido como una hermana.
Querido amigo Eduardo:
Contigo saltamos hasta Brasil…me parece una gozada. He empezado con tu enlace en portugués que ya sabes que me chifla: lo del éter y la quintaesencia tiene aire de sensacionalismo, pero la noticia me parece relevante. Permanezco atento a vuestros comentarios y ya veré si puedo aportar alguna cosilla.
Abrazos.
martes 1 diciembre, 2020 @ 9:24 am
Mil gracias por tu envío a esa página, querido amigo Eduardo.
Mil gracias también, querido amigo Neo por tu aclaración.
Y abrazos cuánticos para ambos que, para llegar con seguridad, habrán de ir en número de billones y que pasen la barrera, cuantos más, mejor.
martes 1 diciembre, 2020 @ 10:17 am
Gracias por preguntar Miguel ángel… Sigo acá en Chile. Me está yendo bien dentro de lo que se puede en esta situación…
Siempre los leo… Lo malo que no tengo mucho tiempo para escribir… Trabajando 12 horas, estudiando con mis hijos, y atendiendo situaciones personales. Más bien me falta tiempo en el día.
martes 1 diciembre, 2020 @ 10:23 am
Referente al artículo, no pude evitar comentar, porque hace una semana había visto el sígueme video
https://youtu.be/J8hE0kTSJ0s
Y me sorprendió la noticia
martes 1 diciembre, 2020 @ 12:39 pm
Querido JavierL: ¡¡¡Maravilloso!!!, ¡!¡¡Extraordinario!!, te lo agradezco muchísimo.
Un fortísimo abrazo.
martes 1 diciembre, 2020 @ 8:46 pm
Magnífico video.
miércoles 2 diciembre, 2020 @ 11:41 am
Imagine que les iba a gustar, opine igual del video cuando lo vi. Y combinado con esta noticia uno se queda asombrado.
Un abrazo amigos
miércoles 2 diciembre, 2020 @ 11:07 pm
Yo tampoco tenía ni idea, ¡¡qué historia más curiosa!!
Muchas gracias por compartirlo, querido Javier. Un fuerte abrazo.
jueves 3 diciembre, 2020 @ 6:37 pm
En este país es enfermizo que en cualquier historia, haya picoletos. En qué estaría pensando de Falla con el nombre de aquel ballet. El golpizasaurus picoleti y algún asteoride quisquedeorsum (todo el mundo al suelo).
jueves 3 diciembre, 2020 @ 7:37 pm
Preguntando. El microscopio, si he entendido el video, delata la presencia real de cada átomo en el instante de la observación, al ir recorriendo la superficie, mediante , supongo, la intensidad que circula por la punta. Supongamos que repito la prueba una hora más tarde. Si lo que detecto es una función de onda, los valores detectados en cada posición, ¿ deberían cambiar con el tiempo ?. o más bien cada punto está asociado permanentemente a la amplitud de probabilidad que corresponde a su posición en la muestra examinada ?. Dicho gráficamente: la imagen o foto obtenida es estable ? Si lo es, supongo que será debido a que ese átomo recorre todas las posiciones posibles pero, por pura probabilidad, suele estar mucho más tiempo en el lugar donde lo hemos detectado que en el resto de lugares…tal vez en cincuenta mil sitios en los que se le podría detectar durante el tiempo del examen. Si me examinan a mí, es probable que se me detecte en tres lugares: escribiendo en el Pc, en la butaca frente a la tele, barriendo la nieve de la puerta o en la cama. Ya veo que son cuatro, pero creo que uno corresponderá al efecto nieve, perdón, túnel, ¿ no?.
jueves 3 diciembre, 2020 @ 9:37 pm
Encuentro muy interesante tu pregunta amigo Petrus.
Voy a escribir lo que pienso al respecto, claro que como siempre es basado en pura intuición.
Creo que, al realizar el experimento en unas condiciones tan sumamente controladas y aisladas del entorno exterior (temperatura casi, 0º Kelvin, Vacío perfecto, ausencia de fuerzas-vibraciones-, radiaciones…) se pretende que el punto cuántico, del experimento no sea perturbado. En estas condiciones este tampoco mudará su influencia (la que sea) en el Espacio-Tiempo de la región próxima (nanométrica) que lo rodea. Como consecuencia, la imagen que se reproduce será estática en el tiempo, (o sea, será permanente, aunque muda conforme se mueva la aguja al mapear la región).
Creo que, lo que realmente la imagen muestra, no solo es la perturbación que el punto cuántico provoca en su entorno, sino la suman de esta, con la que provoca la aguja. Al final de cuentas no podemos huir del problema de la Medida en Cuántica. Para medir algo forzosamente tenemos que perturbarlo de alguna forma.
No obstante, pienso que, siempre que se repita la experiencia en idénticas condiciones debe dar la misma imagen. O se a la imagen de la densidad de la función de onda no mudaría.
El instrumento no funcionaría sin esas condiciones extremas.
No obstante, imaginariamente, si pudiese realizarse en condiciones de ambiente normal, creo que se registraría una imagen dinámica, que en cada una de sus tomas registraría la perturbación que, conjuntamente provocan en el Espacio-Tiempo, el Punto Cuántico, El instrumento de medida y la influencia del entorno (ruido de fondo, en cada momento). Estas tomas sí que se podrían parecer en su conjunto, a algún tipo de onda dinámica, pues por lo menos el ruido de fondo seguramente mudaría.
viernes 4 diciembre, 2020 @ 11:31 am
Sin embargo, amigo Eduardo, yo creo que no es estática, sino que aúna gran velocidad de barrido y una especie de media de las posiciones de los átomos que, aunque solo sea por la temperatura han de tener una vibración, además de algún ligero e imprevisible movimiento cuántico. Pero lo que digo es solo una opinioncilla; algo así como un viento, no tu sesudo comentario.
Abazos.
viernes 4 diciembre, 2020 @ 7:57 pm
Para salir del trance solo nos queda pedir a los Reyes Magos un microscopio de estos. Y quedar un día para hacer la prueba con el asesoramiento de Neo , pero eso ya en el 2021, que os deseo a todos más saludable y feliz que el presente, que no merece ni ser nombrado.
viernes 4 diciembre, 2020 @ 8:40 pm
También estoy de acuerdo con lo del asesoramiento de Neo (explicación). Aunque mejor, si no tenemos que esperar a 2021.
martes 8 diciembre, 2020 @ 1:04 pm
Sobre el comentario 5 de Javier L. en el que se pregunta si la función de onda es algo real,(algo físico), o solo una herramienta de cálculo, creo que resulta interesante recodar este artículo:
https://neofronteras.com/?p=3662
En el mismo, se dice que:
» En el artículo se mantiene que si la función de ondas fuera una herramienta estadística pura entonces incluso los estados cuánticos no conectados a lo largo del espacio y el tiempo se podrían comunicar entre sí. Como esto es casi imposible que se dé, entonces los investigadores concluyen que la función de ondas debe ser, después de todo, algo físico.»
miércoles 9 diciembre, 2020 @ 10:21 am
También yo, desde luego, agradecería a nuestro mentor que nos echase una mano lo más didáctica posible. Un abrazo pera todos y para él.
miércoles 9 diciembre, 2020 @ 11:13 am
La función de ondas se define en el plano complejo (el de los números imaginarios), no en R, es decir no en los números reales. Así que es difícil pensar en su realidad tal cual. A partir de ella se obtiene la densidad de probabilidad de encontrar una partícula en un punto y esto es medible.
Sobre si la función de ondas es algo real o una herramienta matemática, es algo que no sólo afecta a este ente, sino a casi cualquier otro de la Física. Está sujeto a interpretación.
Los físicos se dividen dos. Unos son platónicos (aunque no lo admitan o no lo sepan) y creen que esas Matemáticas son entes reales que existen aparte del ser humano. Otros no lo son y creen que la Naturaleza es siempre inasible y se escapa entre los dedos cuando la quieres entender. Para estos últimos, herramientas como la función de ondas, que serían inventos humanos, son entes que nos acercan a algo a lo que nunca llegaremos.
Estas visiones incluso pueden alcanzar a las Matemáticas, que no tienen por qué tener una conexión con la realidad.
Hace tiempo vimos algún resultado al respecto de estas cosas:
http://neofronteras.com/?p=4186
miércoles 9 diciembre, 2020 @ 9:41 pm
Este debate ya lo hemos planteado en otras ocasiones. Los platónicos a los que se refiere Neo defienden el enfoque ontológico y la otra parte el enfoque gnoseológico. Cuál de los dos enfoques es el correcto, es una cuestión indecidible.
jueves 10 diciembre, 2020 @ 10:01 am
¡Qué magnífico artículo al que nos diriges, querido Neo! Aparecen por allí nuestro -en tiempos de peculiares y rotundas expresiones- Dr., tus sencillos y didácticos comentarios… Sinceramente he gozado al leerlo entero.
Yo, sencillamente pienso que las matemáticas-geometría son un constructo al que se ha llegado desde la práctica -Mesopotamia, Egipto- a la abstracción: Euclides (algún predecesor desconocido) y todos los siguientes (la invención fabulosa del cero posicional), con la puntualización de «Godél» que nos pone en nuestro inseguro lugar.Tienen vida propia en nuestras mentes y, muchas veces, se aproximan a la realidad, pero no son la realidad. La mates, son casi perfectas, porque en los enteros aplican la inducción completa, y a partir de ahí usando su «ambiente» en círculo vicioso (de ahí deriva «Godél»), se demuestran a sí mismas en todas las ocasiones (como en Asturias).
Así que me parece estar de acuerdo con tu exposición y con la de nuestro indeciso y cultísimo Miguel.
Abrazos para ambos.
jueves 10 diciembre, 2020 @ 5:48 pm
Gracias Neo por tu comentario y los enlaces, también a todos los que comentan.
Por lo menos para mí, este debate está sirviendo para forzarme a pensar con mas detalle y profundidad en este tema y otros relacionados con él.
Mi opinión al respecto es que las Matemáticas no son algo autónomo, pre existente y dictatorial, (con sus leyes) en el sentido Platónico. Tampoco una invención (independiente de la Realidad -Nuestro Universo-), elaborada por nuestra mente.
Creo que son fruto de nuestra curiosidad y capacidad de análisis, al intentar entender el comportamiento que observamos en la evolución de él. Con aciertos, imperfecciones, perfeccionamientos sucesivos y extrapolaciones que, en algunos casos pueden ser ajenos, y en cierta manera superar lo que observamos. Lo que no quiere decir que, aunque en ese momento, estas extrapolaciones, parezcan no tener ninguna conexión con la Realidad, no puedan tenerla en el futuro.
Entiendo que Realidad y Matemáticas andan juntas desde que por lo menos los humanos tenemos capacidad de análisis. La realidad evoluciona con sus leyes y parámetros propios y deterministas. Ya los humanos tenemos capacidad de analizar estos patrones, y entenderlos cada vez más. Siendo muy importante en este proceso establecer y usar el lenguaje (símbolos, relaciones y estructuras) que las Matemáticas han acumulado.
Seguramente no estoy diciendo nada nuevo, mi mayor interés es para mantener la discusión de este tema y que aparezcan ideas más acertadas.
Abrazos