La física quantica en los nanodispositivos

Muchos de los dispositivos que usamos como teléfonos móviles y cámaras digitales requieren sistemas de funcionamiento que sean eficientes sin sacrificar el tamaño, sin embargo, estos dispositivos colapsarían y no serían posibles sin la física de pequeña escala en la que se presentan fenómenos diferentes.

Banner 728 x 90

Todos estos dispositivos usan tecnología conocida como sistemas electromecánicos de micro y nano escala (MEMS y NEMS por sus siglas en inglés), las cuales consisten en una unidad central que procesa información y varios componentes que interactúan con el entorno como microsensores.

El problema es que a estas escalas, la física para desarrollar y diseñarlos no se comporta como el mundo macroscópico que conocemos y se manifiestan fenómenos que afectan a los dispositivos como la fuerza Casimir.

Los investigadores Raúl Esquivel y Rafael Pérez, del Instituto de Física de la UNAM, se han dado a la tarea de estudiar el efecto Casimir para disminuir los efectos negativos que produce en los nanodispositivos, sus resultados fueron publicados en la revista The European Physical Journal b con el título “Geometry and charge carrier induced stability in Casimir actuated nanodevices”.

Ciencias Image Banner 336 x 280

“La fuerza de Casimir es un concepto cuántico que no presenta ningún análogo en la mecánica clásica y es ocasionada por el vacío, el cual es el estado cuántico con la menor energía posible”, explicó Esquivel.

Nace de una predicción hecha en 1948 por el físico holandés Hendrik Casimir. Él predijo que dos placas conductoras perfectas neutras y paralelas se atraen una a la otra con una fuerza que depende solamente de constantes fundamentales y que varía como el inverso a la cuarta potencia de la distancia de separación.

De acuerdo con la mecánica cuántica, el vacío cuántico no es un espacio “vacío” sino que presenta fluctuaciones en la aparición y desaparición de ondas electromagnéticas y partículas, lo que se les conoce como partículas virtuales.

En 1956 el físico ruso Evgeny Mikhailovich Lifshitz, y otros colaboradores, mostraron que en los materiales reales la fuerza de Casimir depende de las propiedades dieléctricas de las placas, es decir, si se cambia el material con el que están hechas las placas se tiene diferente intensidad de la fuerza de Casimir y ésta ya no depende solamente de constantes fundamentales como se tenía para placas conductoras perfectas.

“La estabilidad de los micro y nano dispositivos electromecánicos es influenciada por la fuerza de Casimir como lo demostró el físico Fardad Michael Serry en 1995. Esta fuerza ocasiona fricción entre las placas y los hace inservibles“, comentó Esquivel.

La fuerza de Casimir ha sido medida con gran precisión usando una variedad de técnicas como microscopía de fuerza atómica y la balanza de torsión.

La estabilidad de los MEMS y NEMS presenta más complicaciones por la rugosidad de las superficies, e incluso en los dispositivos totalmente aterrizados, los potenciales residuales pueden añadir fuerzas parásitas extras. Estas han sido consideraciones importantes para la interpretación de la fuerza de Casimir en los experimentos.

Para evitar el indeseable efecto de fricción dado por la fuerza de Casimir, Esquivel también ha propuesto varios esquemas teóricos para disminuirlo, como superficies curvas, materiales con muy baja función dieléctrica y por medio de la aplicación de un campo magnético externo en las placas semiconductoras.

Relojes

El estudio de la influencia de la fuerza de casimir en MEMS y NEMS usualmente asume placas semi-infinitas en vez de placas delgadas finitas que son más realistas.

En su artículo, Esquivel y Pérez Pascual desarrollaron un cálculo teórico sobre la influencia de la delgadez de las placas en micro y nano sistemas mecánicos en las que actúan fuerzas dispersivas.

Mostraron que las condiciones de estabilidad que antes se habían considerado han sido sobreestimadas, y que la delgadez de las placas puede ser usada como un parámetro de diseño adicional y la concentración de carga en las placas induce estabilidad en los nanodispositivos.

Las investigaciones hechas por Esquivel y Pérez Pascual en esta rama resultan muy importantes para tener mejores dispositivos como podrían ser controles de videojuegos, teléfonos móviles, cámaras digitales entre otros, logrando así mayor durabilidad y vida cotidiana más cómoda.


Tablet PC

Deja un comentario.

Tu dirección de correo no será publicada.


*