Efecto tunel

Aplicaciones del efecto túnel.1
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICOUNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO
Introducción a la Física Cuántica.Introducción a la Física Cuántica.
Ramírez Guerra Catalina.Ramírez Guerra Catalina.
Sevilla Olguín Diana.Sevilla Olguín Diana.
Aplicaciones del efecto túnel; Microscopio deAplicaciones del efecto túnel; Microscopio de
tunelaje por barridotunelaje por barrido

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

Algunas aplicaciones del efecto túnel son:Algunas aplicaciones del efecto túnel son:
 Emisión de campo:Emisión de campo:
Microscopio de tunelaje por barrido.Microscopio de tunelaje por barrido.
 Emisión de partículasEmisión de partículas  en el decaimiento deen el decaimiento de
núcleos radioactivos.núcleos radioactivos.
 Inversión de la molécula de amonio.Inversión de la molécula de amonio.
 Diodo túnel.Diodo túnel.

Emisión de campo.Emisión de campo.
Los eLos e--
son arrancados de los metales porson arrancados de los metales por
sometimiento a campos eléctricos intensos.sometimiento a campos eléctricos intensos.
Entonces estos se pueden adaptar comoEntonces estos se pueden adaptar como
“fuentes de e“fuentes de e--
””
El STM utiliza los eEl STM utiliza los e--
que escapan paraque escapan para
formar una imagen estructuralmenteformar una imagen estructuralmente
detallada de la superficie emisora.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 0.1µm de
espesor.

 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.

 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.

Emisión de partículasEmisión de partículas  en el decaimiento deen el decaimiento de
núcleos radioactivos.núcleos radioactivos.
Paradoja clásica, de las energías.Paradoja clásica, de las energías.
Se sabía que la ESe sabía que la ECC de las partículasde las partículas 
emitidas por el decaimiento del nucleo Uemitidas por el decaimiento del nucleo U238238
era de 4.2 MeV (Eera de 4.2 MeV (ETT =E=ECC) a distancias) a distancias
grandes a partir del centro donde V(r)= 0.grandes a partir del centro donde V(r)= 0.

Comportamiento cualitativo de la energía de lasComportamiento cualitativo de la energía de las
partículaspartículas  en función de la distancia.en función de la distancia.

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

Inversión de la molécula de amonio NHInversión de la molécula de amonio NH33..
Estructura molecular.Estructura molecular.

Energía potencial del átomo de N en funciónEnergía potencial del átomo de N en función
de la distancia al plano, con dos mínimos quede la distancia al plano, con dos mínimos que
son los estados de equilibrio simétricamenteson los estados de equilibrio simétricamente
alrededor de un máximo (x = 0).alrededor de un máximo (x = 0).
Este es una barrera de potencial para el NEste es una barrera de potencial para el N
dado por la fuerzas de Coulomb repulsivas.dado por la fuerzas de Coulomb repulsivas.
Para los estados de baja energía, se encuentraPara los estados de baja energía, se encuentra
con una barrera alta clásicamentecon una barrera alta clásicamente
impenetrable.impenetrable.
Frecuencia de oscilación: 2.3786 EFrecuencia de oscilación: 2.3786 E 1010
Hz, enHz, en
el estado base.el estado base.

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

Diodo túnel.Diodo túnel.
Es un dispositivo utilizado en los circuitosEs un dispositivo utilizado en los circuitos
rápidos porque su respuesta a la altarápidos porque su respuesta a la alta
frecuencia es mucho mejor que la defrecuencia es mucho mejor que la de
cualquier transistor.cualquier transistor.
El efecto túnel es controlable paraEl efecto túnel es controlable para
interrumpir corrientes tan rápidamente queinterrumpir corrientes tan rápidamente que
se puede construir un oscilador capaz dese puede construir un oscilador capaz de
trabajar a frecuencias superiores que 10trabajar a frecuencias superiores que 101111
HzHz

Microscopio de Tunelaje por Barrido.
(STM)

Historia
1930 Instituto técnico de Berlín:
Ruska, Knoll, Von Borries
1932 Knoll y Ruska
1938 Von Borries y Ruska
1937 James Hillier
1981 Gerd Benning y Heinrich
Rohrer (Premio Nobel de
Física, en 1996 )

Benning y Rohrer

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

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

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

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

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

Aplicaciones::
 Microscopia con resolución atómica.
 Caracterización de dominios magnéticos a
nivel atómico.
 Nanolitografía.

 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

 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

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

 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…)

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

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