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Vinculación Sobre el Espín de un Electrón y Su Orbita
12 de Mayo de 2008.
Foto: Cornell U.
Fte.: www.news.cornell.edu
Un equipo de físicos ha encontrado que en un nanotubo de carbono el espín de un electrón está acoplado a la órbita del electrón, o en otras palabras el espín interactúa con la órbita. El hallazgo significa que los investigadores que esperan utilizar los nanotubos de carbono para la computación cuántica, en la cual el espín de un electrón representaría un bit de datos, pueden tener que cambiar sus enfoques de diseño, especialmente la forma de leer o cambiar el espín, pero por otra parte ofrece una forma nueva de manipularlo, cambiando la órbita.
La investigación ha sido realizada por Paul McEuen y Daniel Ralph, profesores de física en la Universidad de Cornell, y los antiguos investigadores de esa universidad, Shahal Ilani, ahora en el Instituto Weizmann de Ciencia, en Israel, y Ferdinand Kuemmeth, ahora en la Universidad de Harvard.
Los nanotubos de carbono son diminutos cilindros cuyas paredes están formadas por átomos de carbono. En lugar de orbitar a átomos individuales, los electrones libres en un nanotubo orbitan alrededor de su circunferencia. Entretanto, el electrón que describe ese círculo puede tener su espín orientado en dos posibles direcciones.
Para probar esto, los investigadores crearon un dispositivo diminuto en el que un nanotubo de carbono de aproximadamente 5 nanómetros de diámetro y 500 de largo estaba montado entre dos electrodos sobre una estructura de silicio, lo que permite la aplicación de cargas eléctricas variables al tubo. El diseño del dispositivo hizo posible crear puntos cuánticos que contienen un pequeño número de electrones, que puede ser de hasta de un solo electrón.
Aplicando un campo magnético a lo largo del eje del tubo y midiendo el flujo de corriente a través del mismo, los investigadores pudieron determinar los niveles de energía de los electrones en las cuatro posibles combinaciones de espín y órbita (con el espín hacia "arriba" o hacia "abajo" y la órbita en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario) y encontraron que cambiando la dirección de la órbita cambiaba la energía. La órbita del electrón afecta su espín y viceversa.
Esto no impide utilizar los nanotubos en la computación cuántica, pero define nuevas reglas de diseño. También es interesante desde el punto de vista de la física fundamental, porque es la topología cilíndrica única de los nanotubos lo que permite que los electrones tengan órbitas bien definidas y por consiguiente registren este acoplamiento.
El mismo experimento se realizó con los "huecos", o sea lugares donde falta un electrón, creando el equivalente de una carga positiva que se mueve alrededor del tubo.
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Historia de los nanotubos
Los Nanotubos de Carbono fueron descubiertos en Japón por S. Iijima en 1991, publicado en la revista Nature 354, 56 (1991), durante los trabajos de investigación sobre fullerenos. El gran impacto de los materiales nanoestructurados es debido a que su gran superficie mejora sus propiedades y abre caminos a una amplia diversidad de nuevas aplicaciones. Por eso, han atraído y están atrayendo un considerable interés como constituyentes de nuevos materiales y dispositivos nanoscópicos.
Los nanotubos de carbono (CNTs) están constituidos por redes hexagonales de carbono curvadas y cerradas, formando tubos de carbono nanométricos con una serie de propiedades fascinantes que fundamentan el interés que han despertado en numerosas aplicaciones tecnológicas. Son sistemas ligeros, huecos y porosos que tienen alta resistencia mecánica, y por tanto, interesantes para el reforzamiento estructural de materiales y formación de composites de bajo peso, alta resistencia a la tracción y enorme elasticidad.
Electrónicamente, se ha comprobado que los nanotubos se comportan como hilos cuánticos ideales monodimensionales con comportamiento aislante, semiconductor o metálico dependiendo de los parámetros geométricos de los tubos. Otra más de sus interesantes propiedades es su alta capacidad de emisión de electrones. En este campo, su interés radica en que sean capaces de emitir electrones a 0.11 eV de energía mientras que los mejores emisores de electrones utilizados en la actualidad emiten en un rango entre 0.6 y 0.3 eV. Además del estrecho rango de emisión de energía, los CNTs presentan otras ventajas respecto a los cristales líquidos utilizados en las pantallas planas como: amplio ángulo de visión, capacidad de trabajar en condiciones extremas de temperatura y brillo suficiente para poder ver las imágenes a la luz del sol.
Otra de sus aplicaciones como emisores de electrones es su utilización en la fabricación de fuentes de electrones para microscopios eléctrónicos. En el campo de la energía, los CNTs pueden ser usados para la preparación de electrodos para supercondensadores y baterías de litio, para el almacenamiento de hidrógeno y como soporte de catalizadores de platino en pilas de combustible. En aplicaciones biomédicas están siendo utilizados en sistemas de reconocimiento molecular, como biosensores y para la fabricación de músculos artificiales. Otra de las aplicaciones de los CNTs son para la producción de materiales de alto valor añadido, con propiedades estructurales y funcionales mejoradas.
ASPECTOS INNOVADORES
El aspecto innovador de los materiales carbonosos de escala nanométrica, fullerenos y nanotubos, reside en que reúnen las siguientes propiedades:
1. Habilidad para trabajar a escala molecular, átomo a átomo. Esto permite crear grandes estructuras con fundamentalmente nueva organización molecular.
2. Son materiales de "base", utilizados para la síntesis de nanoestructuras vía autoensamblado.
3. Propiedades y simetría únicas que determinan sus potenciales aplicaciones en campos que van desde la electrónica, formación de composites, almacenamiento de energía, sensores o biomedicina.
VENTAJAS COMPETITIVAS
El campo de la Nanotecnología, y en particular el de los CNTs es un campo reciente, (fueron descubiertos en 1991), que puede ofrecer soluciones en campos multisectoriales y multidisciplinares y que tiene importantes implicaciones en Ciencia y Tecnología.
Sus extraordinarias propiedades aseguran una revolución en los modos en que los materiales y productos van a ser obtenidos, siendo la investigación a nanoescala de interés para industrias tales como: productoras de cerámicas, metalurgía, láminas delgadas, electrónica, materiales magnéticos, dispositivos ópticos, catalizadores, almacenamiento de energía y biomedicina.
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La nanotecnología promete transistores súper rápidos
Investigadores norteamericanos han publicado detalles de una técnica para producir largos cilindros rectos de unos pocos átomos de grosor.
Por Rosalía Arroyo [25-04-2008]
Este adelanto es muy importante porque elimina una de las principales barreras en la búsqueda de la electrónica a escala nano, según has destacado químicos de la Duke University.
El profesor de química Jie Lui, director de la investigación, explicó que los nanotubos de carbono pueden actuar como semiconductores y podrían fomentar la circuitería de escala reducida que permitiera medidas de la milmillonésima parte de un metro.
El equipo dirigido por Liu dirigió un conjunto de nanotubos hacia la misma dirección utilizando estructuras de cristal de una superficie de cuarzo como plantilla.
La capacidad de crear nanotubos idénticos permitirá a los futuros ingenieros en nanotecnología unirlos en múltiples chips que podrían operar con la suficiente energía y velocidad de procesamiento.
Según ha destacado Liu, se trata de un “desarrollo apasionante”. “Comparado con otras investigaciones, continúa Liu, hemos conseguido una mayor densidad de nanotubos”.
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