{"id":9879,"date":"2020-03-20T13:20:35","date_gmt":"2020-03-20T19:20:35","guid":{"rendered":"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=9879"},"modified":"2020-03-20T13:21:25","modified_gmt":"2020-03-20T19:21:25","slug":"una-breve-reflexion-de-la-fisica-del-estado-solido","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=9879","title":{"rendered":"UNA BREVE REFLEXI\u00d3N DE LA F\u00cdSICA DEL ESTADO S\u00d3LIDO"},"content":{"rendered":"

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Cecilia Noguez*<\/p>\n

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CIENCIA UANL \/ A\u00d1O 23, No.100 marzo-abril 2020<\/p>\n

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En toda la historia de la humanidad, el ser humano ha modificado la materia desarrollando herramientas diversas; pasando por la Edad de Piedra hasta llegar a lo que llamamos la Era de la Inform\u00e1tica. Sin embargo, lo que conocemos formalmente como la F\u00edsica del Estado S\u00f3lido comienza muy poco tiempo despu\u00e9s de que se exponen las primeras bases de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, las cuales proporcionaron herramientas poderosas para describir los s\u00f3lidos desde el punto de vista at\u00f3mico. Pero la F\u00edsica del estado s\u00f3lido no se limita al uso de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, tambi\u00e9n integra en la descripci\u00f3n y soluci\u00f3n de sus problemas al electromagnetismo, la mec\u00e1nica cl\u00e1sica, la F\u00edsica estad\u00edstica y sus diferentes sub\u00e1reas.<\/p>\n

Desde un punto de vista muy personal, considero que los problemas que representan entender la materia desde la F\u00edsica del estado s\u00f3lido son los m\u00e1s ricos y retadores. Adem\u00e1s, es una de las \u00e1reas que ha cristalizado m\u00e1s r\u00e1pidamente su aportaci\u00f3n a la tecnol\u00f3gica y por supuesto a la Era de la Inform\u00e1tica. Basta recordar el progreso de los transistores y la microelectr\u00f3nica, as\u00ed como la gestaci\u00f3n de nuevas disciplinas como la ciencia e ingenier\u00eda de materiales, la nanociencia y la nanotecnolog\u00eda, la ingenier\u00eda electr\u00f3nica, entre otras. En estas nuevas disciplinas no s\u00f3lo integran las leyes f\u00edsicas, sino tambi\u00e9n principios biol\u00f3gicos y propiedades qu\u00edmicas de la materia con aplicaciones en salud, medio ambiente, energ\u00eda, seguridad, comunicaciones, entre otras \u00e1reas de inter\u00e9s universal.<\/p>\n

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Un punto de partida importante de la F\u00edsica del estado s\u00f3lido es el llamado Teorema de Bloch, que permite describir arreglos peri\u00f3dicos de \u00e1tomos, los llamados cristales, resolviendo la ecuaci\u00f3n de Schr\u00f6dinger de los electrones que componen al sistema y desarrollando la llamada teor\u00eda de bandas. Recordemos que en un s\u00f3lido cristalino en tan s\u00f3lo un cent\u00edmetro c\u00fabico se tienen 1023 \u00e1tomos m\u00e1s sus respectivos electrones. Por lo que, sin el Teorema de Bloch, ser\u00eda imposible entender los s\u00f3lidos y mucho menos sus interacciones y respuestas a est\u00edmulos externos como la luz, los campos magn\u00e9ticos, cambios de temperatura, presi\u00f3n, fuerzas mec\u00e1nicas, etc\u00e9tera. Tampoco se hubieran inventado otros sistemas a partir de estos conceptos como los cristales l\u00edquidos, los cristales fot\u00f3nicos o los metamateriales, entre otros. Y mucho menos se hubiera llegado a la sofisticaci\u00f3n tecnol\u00f3gica de crear materiales tan delgados como el espesor de un \u00e1tomo, ni a la creaci\u00f3n de las herramientas necesarias para observarlos e interactuar con ellos.<\/p>\n

Sin lugar a dudas, la F\u00edsica del estado s\u00f3lido, con la ayuda del Teorema de Bloch y su consecuente teor\u00eda de bandas, ha sido indispensable para el desarrollo tecnol\u00f3gico actual y me atrevo a decir que seguir\u00e1 siendo la base de lo mucho que veremos tanto en ciencia b\u00e1sica como en tecnolog\u00eda. En t\u00e9rminos conceptuales, se ha visto que el estudio de la F\u00edsica del estado s\u00f3lido sigue un camino que lleva gradualmente\u00a0a sistemas de creciente complejidad. En una primera etapa se estudiaron las estructuras at\u00f3micas de los cristales, sus simetr\u00edas dada su periodicidad, la interacci\u00f3n at\u00f3mica que da lugar a dichos cristales y la explicaci\u00f3n a sus propiedades fundamentales como dureza, respuesta t\u00e9rmica, transporte electr\u00f3nico y respuesta a diferentes campos electromagn\u00e9ticos, como los rayos X, la luz, entre otros.<\/p>\n

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Con estos conocimientos fundamentales, en una segunda etapa se les a\u00f1adi\u00f3 cierta complejidad cambiando sistem\u00e1ticamente su composici\u00f3n at\u00f3mica para variar gradualmente sus propiedades fundamentales entre, por ejemplo, aislantes y conductores, creando as\u00ed una serie de semiconductores de muy alta calidad con propiedades emergentes dependiendo de su composici\u00f3n. El estudio de estos semiconductores permiti\u00f3 el descubrimiento del primer transistor de contacto, pero la posterior necesidad de miniaturizarlo abri\u00f3 una nueva etapa de complejidad. Los sistemas se volvieron de tama\u00f1o microm\u00e9trico y submicrom\u00e9trico, dando lugar a nuevos fen\u00f3menos, como el confinamiento cu\u00e1ntico de part\u00edculas y cuasipart\u00edculas. Estos sistemas no se pod\u00edan explicar con lo que se hab\u00eda creado a partir del Teorema de Bloch y la descripci\u00f3n \u201csimplista\u201d de los electrones del cristal. El Teorema de Bloch se adapt\u00f3 a sistemas en los que se rompe la periodicidad del cristal ya fuera en una (1D), en dos (2D) o en sus tres (3D) dimensiones. Con la reducci\u00f3n de tama\u00f1o, los efectos debidos a la superficie e interfaces de los cristales se volvieron relevantes, as\u00ed como las interacciones electr\u00f3nicas, incluyendo los efectos de correlaci\u00f3n e intercambio. Esto desat\u00f3 una nueva ola de desarrollos te\u00f3ricos y experimentales con los que se hizo necesario entender la interacci\u00f3n de muchos \u00e1tomos, electrones y de sus excitaciones, c\u00f3mo se arreglaban los \u00e1tomos en las superficies e interfaces, as\u00ed como las consecuencias del rompimiento de simetr\u00edas.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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En esta nueva etapa la F\u00edsica computacional se posicion\u00f3 como una herramienta indispensable, gracias a la cual se pueden realizar \u201cexperimentos controlados\u201d con varios \u00e1tomos, y se pueden probar las diferentes teor\u00edas mediante la comparaci\u00f3n con los experimentos. Se comprendi\u00f3 que la estructura at\u00f3mica del sistema determinaba sus propiedades fundamentales y se crearon microscopios electr\u00f3nicos para visualizarlos. Con las computadoras y las nuevas herramientas experimentales, como microscopios de fuerza at\u00f3mica, m\u00e9todos \u00f3pticos, magn\u00e9ticos, entre otros, se pudo avanzar de manera simult\u00e1nea en el entendimiento de las propiedades de estos sistemas y en el progreso de teor\u00edas y nueva instrumentaci\u00f3n tanto experimental como computacional.<\/p>\n

Al fabricar los objetos submicrom\u00e9tricos y entenderlos como entidades aut\u00f3nomas, se puede pensar en, por ejemplo, los puntos cu\u00e1nticos como los nuevos \u00e1tomos del sistema. As\u00ed se comenz\u00f3 una nueva etapa de complejidad: la creaci\u00f3n de arquitecturas jer\u00e1rquicas a partir de entidades complejas m\u00e1s all\u00e1 de los \u00e1tomos para crear nuevos cristales. De aqu\u00ed surgen las llamadas superredes, los cristales fot\u00f3nicos y fon\u00f3nicos, entre otros. La idea es simple: si conocemos las propiedades de la entidad o entidades, as\u00ed como su arreglo peri\u00f3dico, podemos crear supercristales con las propiedades que deseemos. \u00c9stos son los antecedentes de los ahora llamados metamateriales. Nuevamente, esto conduce a la producci\u00f3n de nuevas herramientas tanto para fabricar los metamateriales en donde la nanofabricaci\u00f3n se vuelve indispensable, as\u00ed como el desarrollo de teor\u00edas que permitan estudiar de manera integral fen\u00f3menos concurrentes a la nanoescala, tomando en cuenta la complejidad del sistema y el descubrimiento de nuevos fen\u00f3menos. Y no se diga de las t\u00e9cnicas experimentales que permitan distinguir entre ellos.<\/p>\n

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En la actualidad, hemos llegado al extremo de aislar sistemas cristalinos tan delgados del espesor de un solo \u00e1tomo, como el grafeno, lo que llamamos un cristal bidimensional o 2D. Este cristal 2D tiene bandas electr\u00f3nicas cercanas al nivel de Fermi tales que sus electrones se comportan como una cuasipart\u00edcula sin masa, por lo que su velocidad no depende de su energ\u00eda y tienen gran movilidad. Estas cuasipart\u00edculas se conocen como Fermiones de Dirac. Cuando se estiran o apilan dos capas de grafeno surgen fen\u00f3menos interesantes en los que podemos modificar la poblaci\u00f3n de electrones cercanos al nivel de Fermi y manipular sus propiedades electr\u00f3nicas, los estados de esp\u00edn de los electrones, as\u00ed como sus propiedades magn\u00e9ticas. Pero tambi\u00e9n hay otros materiales, los cuales podemos llamar cristales 2D, que tambi\u00e9n se consiguen aislar y manipular. De \u00e9stos, se han fabricado muy pocos, pero algunos de ellos tienen propiedades muy diferentes a las del grafeno. Se cree que se pueden obtener m\u00e1s de 1800 compuestos con posibilidades de ser aislados como cristales 2D. La interacci\u00f3n entre las capas de estos materiales es a trav\u00e9s de interacciones d\u00e9biles de van der Waals, lo que permite manipular \u201cf\u00e1cilmente\u201d su apilamiento. Siguiendo los mismos conceptos, se ha comenzado a investigar c\u00f3mo es posible crear nuevos sistemas con propiedades h\u00edbridas y emergentes. Adem\u00e1s, se pueden crear cristales 2D con nuevas simetr\u00edas a partir de uno, dos o m\u00e1s componentes apiladas, agregando nuevos grados de libertad al sistema, con fuerte confinamiento cu\u00e1ntico entre capas y por lo tanto propiedades f\u00edsicas diferentes. Pero aqu\u00ed una vez m\u00e1s se crean nuevas interrogantes y retos, siendo la principal, desde mi punto de vista: \u00bfc\u00f3mo vamos a escalar estas propiedades sin modificarlas y hacerlas \u00fatiles en nuestro entorno a escala de metros?<\/p>\n<\/div>\n

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Otros sistemas interesantes son aqu\u00e9llos que son aislantes en su interior, pero conducen electrones en sus orillas. Es decir, el transporte electr\u00f3nico tiene una direcci\u00f3n preferencial. Esto se logra cuando el sistema conserva la simetr\u00eda de inversi\u00f3n en el tiempo, es decir, da lo mismo ir en el futuro que en el pasado, pero con un orden topol\u00f3gico determinado. A estos sistemas se les llama aislantes topol\u00f3gicos, en ellos los estados electr\u00f3nicos de superficie se conservan al igual que su simetr\u00eda temporal, con consecuencias importantes en la direcci\u00f3n del esp\u00edn de los electrones, el cual siempre es perpendicular a su momento lineal. As\u00ed que, un aislante topol\u00f3gico 3D crea un gas electr\u00f3nico en 2D. Para cambiar estos estados de superficie es necesario cambiar la simetr\u00eda temporal, no importando si los \u00e1tomos en las orillas se saturan o no, ya que la topolog\u00eda del sistema protege su simetr\u00eda temporal. Sin embargo, todav\u00eda hay muchas interrogantes sobre estos sistemas, en c\u00f3mo acoplarlos con otros y hacer nuevas estructuras h\u00edbridas y complejas.\"\"<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Finalmente, con todos estos sistemas en los que podemos tener un alto control de sus propiedades se encuentra un nuevo grado de complejidad, su acoplamiento a las excitaciones de \u00e1tomos y mol\u00e9culas individuales o en su conjunto. Tambi\u00e9n el reconocimiento molecular puede generar nuevos sistemas autoensamblados, creando nuevas arquitecturas jer\u00e1rquicas complejas, como si arroj\u00e1semos bloques de lego y ellos se unieran por s\u00ed solos. Por ejemplo, la luz puede ser confinada en espacios muy peque\u00f1os debido a la excitaci\u00f3n de campos el\u00e9ctricos evanescentes en nanopart\u00edculas peque\u00f1as. La manipulaci\u00f3n de dichos campos permite concentrar y transportar energ\u00eda en \u201ccristales plasm\u00f3nicos\u201d. Estos campos el\u00e9ctricos confinados se acoplan con ciertas excitaciones fundamentales de la materia, modificando dr\u00e1sticamente la tasa de eficiencia de emisores y absorbedores de luz, como pueden ser mol\u00e9culas o \u00e1tomos. Tambi\u00e9n estos campos evanescentes confinados pueden aumentar o disminuir la transferencia de calor entre part\u00edculas que se encuentran a distancias de separaci\u00f3n nanom\u00e9tricas. Estos sistemas se pueden aplicar en una gran cantidad de dispositivos como celdas fotovoltaicas, en nuevos sistemas LED, en enfriamiento y control de calor, en transistores t\u00e9rmicos, en grabaci\u00f3n magn\u00e9tica asistida por calor, en fotos\u00edntesis artificial y, por supuesto, en computaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/p>\n

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Todos estos nuevos sistemas nos imponen nuevos retos. Ser\u00e1 necesario desarrollar nuevas metodolog\u00edas te\u00f3ricas, experimentales y computacionales que permitan estudiar de manera integral fen\u00f3menos concurrentes debido a la complejidad del sistema. Es indispensable entender las bases de la transici\u00f3n entre comportamientos cu\u00e1nticos y cl\u00e1sicos en dispositivos y sistemas, as\u00ed como el uso y control de los efectos cu\u00e1nticos. Se deben encontrar modelos te\u00f3ricos realistas en los que se puedan describir estados electr\u00f3nicos excitados, as\u00ed como la correlaci\u00f3n electr\u00f3nica, para sistemas con miles de \u00e1tomos. Aunque se ha avanzado en esta direcci\u00f3n, la mayor\u00eda de las teor\u00edas se encuentran muy limitadas en su descripci\u00f3n fenomenol\u00f3gica o en el n\u00famero de \u00e1tomos que pueden estudiar. Al mismo tiempo, es indispensable incrementar la capacidad de c\u00f3mputo en al menos 10,000 veces para realizar, por ejemplo, simulaciones ab initio<\/em> de puntos cu\u00e1nticos, simulaci\u00f3n de autoensamblado de materiales programados, entre otros.<\/p>\n

Adem\u00e1s, es necesario desarrollar la modelaci\u00f3n multiescala para, por ejemplo, la generaci\u00f3n de campos de fuerza en din\u00e1mica molecular de dispositivos espec\u00edficos como celdas solares que nos permitan determinar su eficiencia con mayor precisi\u00f3n. Tambi\u00e9n se deben inventar metodolog\u00edas basadas en nuevas tecnolog\u00edas, como la inteligencia artificial, la cual se proyecta puede ayudar a identificar patrones, tendencias y no tener que explorar uno por uno los m\u00e1s de 1800 compuestos 2D y sus posibles combinaciones para determinar las estructuras id\u00f3neas y sus propiedades f\u00edsicas predeterminadas. Es importante innovar nuevas herramientas para detectar y escalar a sistemas m\u00e1s grandes el transporte cu\u00e1ntico y el flujo de corriente a escala molecular en nanodispositivos. Dentro de los procesos multiescala es necesario hacer aproximaciones m\u00e1s generales, pero concretas, para entender mejor la cat\u00e1lisis, proceso en el que concurren muchos fen\u00f3menos a la vez. Tambi\u00e9n se deben realizar aproximaciones predictivas para la compatibilidad y ensamblaje de materiales bi\u00f3ticos y abi\u00f3ticos. Para crear im\u00e1genes en 3D con especificidad qu\u00edmica, resoluci\u00f3n temporal y resoluci\u00f3n at\u00f3mica de estructuras complejas, como pueden ser las prote\u00ednas individuales, herramientas con precisi\u00f3n at\u00f3mica para medir y reestructurar, resoluci\u00f3n temporal en reacciones qu\u00edmicas y desarrollo de instrumentaci\u00f3n in situ para procesos controlados de manufactura.<\/p>\n

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Para crear rutas de autoensamblaje controlado de \u00e1tomos y mol\u00e9culas en estructuras jer\u00e1rquicas es indispensable encontrar nuevas rutas. Explorar nuevos fen\u00f3menos f\u00edsicos con fotones, electrones, magnones, para nuevas aplicaciones como transistores m\u00e1s r\u00e1pidos y con menos disipaci\u00f3n, transparencia mayor a 98%, materiales y dispositivos para conectar lo nano con el macro. Es preciso establecer las condiciones para la manufactura a gran escala de nanoestructuras puras y combinadas, simples y complejas, pero con propiedades uniformes. Descubrir nuevos materiales multif\u00e9rrico\/magn\u00e9ticos. Entender el comportamiento colectivo de portadores de carga a temperatura ambiente en grafeno y aislantes topol\u00f3gicos. Almacenamiento de luz en milisegundos o mucho menos. Encontrar estructuras con bajas p\u00e9rdidas de resonancia, l\u00e1seres con gran eficiencia en transmisi\u00f3n de energ\u00eda, funcionando con muy baja potencia de entrada y salidas con altas ganancias. Implementar f\u00e1bricas e \u201cimpresoras de escritorio 3D\u201d para el desarrollo de nuevos prototipos, sin la necesidad de cuartos limpios. T\u00e9cnicas de impresi\u00f3n molecular que permitan el posicionamiento en superficies, diferenciar y seleccionar mol\u00e9culas, prote\u00ednas y hasta c\u00e9lulas a gran escala.<\/p>\n

En fin, hay un mundo nuevo, excitante, pero, sobre todo, complejo y retador en la F\u00edsica del estado s\u00f3lido en los a\u00f1os por venir, como posiblemente nunca nos lo hab\u00edamos imaginado.<\/p>\n

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* Universidad Nacional Aut\u00f3noma de M\u00e9xico.
\nContacto: cecilia@fisica.unam.mx<\/p>\n

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