Aplicaciones Del Efecto Tunel 3z4n65

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

Introducción a la Física Cuántica. Ramírez Guerra Catalina. Sevilla Olguín Diana. Aplicaciones del efecto túnel; Microscopio de tunelaje por barrido

Efecto túnel.

Una partícula tiene la propiedad de atravesar una barrera de potencial sin tener la energía suficiente (clásicamente), ya que la probabilidad de que la partícula este del otro lado es no nula.

Algunas aplicaciones del efecto túnel son: 

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Emisión de campo: Microscopio de tunelaje por barrido. Emisión de partículas  en el decaimiento de núcleos radioactivos. Inversión de la molécula de amonio. Diodo túnel.

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Emisión de campo. Los e- son arrancados de los metales por sometimiento a campos eléctricos intensos. Entonces estos se pueden adaptar como “fuentes de e-” El STM utiliza los e- que escapan para formar una imagen estructuralmente detallada de la superficie emisora.

Microscopios electrónicos 

El Microscopio Electrónico de Transmisión, MET (Transmission Electron Microscope). Utiliza un haz fijo de electrones, solo es posible obtener imágenes de muestras lo suficientemente delgadas como para transmitir entre el 50% y 90% de los electrones que inciden el ella, de aproximadamente 0.1m de espesor.

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Microscopio Electrónico de Barrido, MEB (Scanning Electron Microscope). Crea una imagen ampliada de la superficie de un objeto, utilizando un haz móvil de electrones que recorre la muestra en áreas seleccionadas. No es necesario cortar el objeto en capas para observarlo, sino que puede colocarse en el microscopio con muy pocos preparativos.

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Se han desarrollado otros tipos de microscopios electrónicos. Un microscopio electrónico de barrido y transmisión combina los elementos de un MET y un MEB, ya que utiliza un haz de electrones móvil para recorrer una muestra delgada, para luego captar los electrones primarios transmitidos.

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Emisión de partículas  en el decaimiento de núcleos radioactivos. Paradoja clásica, de las energías. Se sabía que la EC de las partículas  emitidas por el decaimiento del nucleo U238 era de 4.2 MeV (ET =EC) a distancias grandes a partir del centro donde V(r)= 0.

Comportamiento cualitativo de la energía de las partículas  en función de la distancia.

Si la partícula esta inicialmente en una región con r < r’, esta separada del resto del espacio por una barrera de potencial con al menos dos veces ET de altura. Se observó que la partícula  penetraba, ocasionalmente la barrera de potencial y se movia a valores grandes de r.

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Inversión de la molécula de amonio NH3. Estructura molecular.

Energía potencial del átomo de N en función de la distancia al plano, con dos mínimos que son los estados de equilibrio simétricamente alrededor de un máximo (x = 0). Este es una barrera de potencial para el N dado por la fuerzas de Coulomb repulsivas. Para los estados de baja energía, se encuentra con una barrera alta clásicamente impenetrable. Frecuencia de oscilación: 2.3786 E 10 Hz, en el estado base.

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Energía potencial del átomo de N de acuerdo a la posición desde el plano, estado base.

Diodo túnel. Es un dispositivo utilizado en los circuitos rápidos porque su respuesta a la alta frecuencia es mucho mejor que la de cualquier transistor. El efecto túnel es controlable para interrumpir corrientes tan rápidamente que se puede construir un oscilador capaz de trabajar a frecuencias superiores que 1011 Hz

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Microscopio de Tunelaje por Barrido. (STM)

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Historia 1930 1932 1938 1937 1981

Instituto técnico de Berlín: Ruska, Knoll, Von Borries Knoll y Ruska Von Borries y Ruska James Hillier Gerd Benning y Heinrich Rohrer (Premio Nobel de Física, en 1996 )

Benning y Rohrer

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Efecto túnel en el STM. Sistema inmerso en el vacio. Suponemos que la punta y el material a examinarse son del mismo material, Entonces tienen la misma función de trabajo W. Los e- tienen la misma energía en el material y además es menor que la de un eque se encuentre en el vacio.

La altura de la barrera de potencial es U y es la diferencia de potencial para los electrones ligados y los libres.

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Entonces W = U-E y también es la energía necesaria para desprenderlo. El desprendimiento de e- es de la superficie, estos se dirigen hacia la punta con ayuda de un voltaje controlado.

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Resolución lateral (en el plano de la superficie). Puntas delgadas: uno o dos átomos en la punta). Lo que se consigue fácilmente lo que impresionó incluso a sus creadores. Existen dos métodos: altura constante y a corriente constante.

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Un poco más… Lo extraordinario del microscópio es su funcionamiento inmerso en líquidos. Por ejemplo en agua, esta es un conductor, pero solo ionicos para los electrones no lo es por lo cual se comportan como en el vacio.

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Aplicaciones: 

Microscopia con resolución atómica.

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Caracterización de dominios magnéticos a nivel atómico.

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Nanolitografía.

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Ciencia e Ingeniería de Materiales:

Caracterización morfológica y analítica de materiales Estudio de superficies Procesos de difusión Segregación Análisis de fallos Control de calidad Irregularidades de piezas fabricadas en cadena

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Geología: Una eficaz ayuda en estudios geométricos y morfológicos relacionados con la mineralogía y metalurgia. Textura de rocas y minerales Identificación de minerales y sustancias sintéticas 

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Metalurgia: Observación de composición de materiales Fenómenos de difusión Composición de aleaciones Crecimiento de granos Estudios de corrosión de metales y aleaciones 

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Biología: Observación de los distintos organelos intracelulares. Diferenciación de células. Estructura y ultra estructura de tejidos y órganos animales vegetales. Inmunocitolocalización de macromoléculas. Patologías animales y vegetales. Estudios forenses (búsqueda de partículas, tejidos, hilos, semen…) 

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Bibliografía. 

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http://www.revista.unam .mx/vol.6/num7/art70/art70-5.htm Eisberg Robert. Robert Resnick. Física cuántica. Atomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas. Limusa. México. 1983. pp. 833. Serway Raymond A., Clement J. Moses. Física moderna, Ed Cengage Learning, 2006, pp642.