4.3 Aplicaciones de la física cuántica

La física cuántica está confirmada experimentalmente y es secundada. Existen fenómenos frecuentes que utilizan la física cuántica como base de su funcionamiento. 

 LA CÉLULA FOTOELÉCTRICA

Este es un dispositivo basado en el efecto fotoeléctrico. Cuando una radiación alcanza la célula, provoca la emisión de electrones que da lugar a una corriente eléctrica. Esta corriente se utiliza para poner en funcionamiento un circuito más potente que permite realizar efectos mecánicos como, por ejemplo, la apertura de puertas automáticas, el disparo de alarmas etc..

Este mismo efecto se utiliza en la fabricación de células fotovoltaicas, su funcionamiento podemos describirlo en varias etapas:

1. Los fotones de luz solar inciden sobre la célula, formada por un semiconductor como el silicio, y son absorbidos por los electrones que se encuentran en la superficie de ésta.
2. La absorción de energía adicional permite a los electrones liberarse de sus átomos. Los electrones se empiezan a mover y el espacio que dejan libre lo ocupa otro electrón de una parte más profunda del semiconductor.
3. El resultado es una acumulación de electrones (negativos) en una parte del semiconductor y una acumulación de huecos (positivos) en la otra parte, lo que origina un voltaje entre ambos lados. Al unir ambos lados con un cable eléctrico se permite que los electrones fluyan de un lado al otro de la lámina, generando una corriente eléctrica.

El siguiente esquema representa este proceso:

Imagen adaptada en Wikimedia Commons de Gil Knier. Dominio público

LA NANOELECTRÓNICA

Imagen de Hniarsh en Wikimedia . CC

En la actualidad se está trabajando en componentes electrónicos extremadamente pequeños, cercanos al nivel atómico. ¿Cómo se pueden manipular estos componentes?, esta es la base de la nanoelectrónica (el término nanotecnología se usa normalmente para definir la tecnología de menos de 100 nm de tamaño). La reducción del tamaño de componentes electrónico hace que, progresivamente, comiencen a aparecer efectos cuánticos interesantes. La idea es sustituir el silicio por materiales como moléculas orgánicas electroactivas o nanohilos/nanotubos (estructuras que permiten el paso de corriente sin apenas resistencia).

Las posibilidades son enormes, aunqueaún están bajo desarrollo y no estarán disponibles en el mercado en un futuro próximo.

 

Imagen de mattbuck en Wikimedia Commons . CC

LÁSER

Se utiliza con frecuencia en casi todos los campos: medicina, construcción, espectáculos, ...

La palabra LASER proviene del inglés: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", es decir, luz amplificada por emisión de radiación estimulada. Sus propiedades fundamentales son:

• Coherencia: Normalmente, la luz que vemos a diario (procedente del Sol, de una bombilla, etc..) está producida por la emisión, desde los átomos, de fotones de muy diversas frecuencias. En cambio en un láser el conjunto de fotones son idénticos. Esto se consigue porque en el láser los átomos reciben la misma energía y la radiación de cada uno se sincroniza mediante un mecanismo llamado "emisión estimulada".
• Gran intensidad energética: La intensidad de un haz de luz se define como la energía que transporta por unidad de superficie y tiempo (potencia por unidad de superficie). En el láser la enorme la potencia es muy alta por su direccionalidad. Esto ya lo habrás visto en los punteros láser, donde la energía se concentra en un un haz muy estrecho, la energía se reparte en una superficie muy pequeña y esto hace que aumente la intensidad.

Su funcionamiento se basa en el modelo corpuscular de la radiación al considerarla como un conjunto de fotones. El mecanismo se resume en las siguientes etapas:

1. Un conjunto de iones absorbe energía y se promocionan a estados de energía excitados.
2. Los iones pierden energía y pasan a un estado metaestable
3. La emisión de un fotón por un ión provoca una reacción en cadena, lo cual genera un pulso láser.
4. Los fotones se concentran y direccionan mediante un espejo y un semiespejo.