La lámpara más pequeña del mundo abarca la física clásica y cuántica

La lámpara incandescente más pequeña jamás construida, fabricada usando un nanotubo de carbono, ha sido diseñada en los Estados Unidos. Con 1,4 micrómetros de longitud y apenas 13 nanómetros de anchura, el filamento es invisible al ojo desnudo hasta que no se enciende.

El equipo de Chris Regan de la Universidad de California en Los Ángeles, unió un electrodo de paladio y oro en cada extremo del nanotubo de carbono, el cual cubre un diminuto agujero en un chip de silicio que se mantiene en un vacío.

Cuando la electricidad recorre el nanotubo se calienta y empieza a brillar, liberando millones de fotones cada segundo, de los cuales unos pocos miles alcanzan el ojo. “Esto hace que la luz sea relativamente fácil de ver”, dice Regan. “Tu ojo es sensible casi a cada fotón”. Pero sería una mala lámpara de lectura, bromea.

Acertijo cuántico

Es lo bastante brillante, no obstante, para arrojar luz sobre una de las incompatibilidades fundamentales de la física – el desajuste entre la termodinámica y la mecánica cuántica.

La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía, o desorden, se incrementa con el tiempo, pero a escala cuántica la cosas no parecen ser tan direccionales – donde si viajas adelante o atrás en el tiempo, no debería haber más desorden. “No está claro cómo llegar desde las leyes mecánico cuánticas, las cuales describen los electrones en órbitas perpetuas alrededor del núcleo, a las leyes de la termodinámica que, digamos, es tan difícil como limpiar esa mancha de vino en tu alfombra”, dice Regan.

El filamento del nanotubo de carbono podría ayudar. “Es lo bastante grande para que las suposiciones estadísticas de la termodinámica se apliquen”, dice, “pero también es tan pequeña que se puede considerar como un sistema molecular, o cuántico”.

Cuerpo negro perfecto

Usándola, el equipo investigará la ley de la radiación de cuerpo negro de Planck – una teoría de hace un siglo que predijo cuánta luz emitiría una fuente suponiendo que su energía se liberase en paquetes discretos, o cuantos. El trabajo de Planck marca el desarrollo de la posterior mecánica cuántica a lo largo del siglo.

Sus leyes asumen que la radiación térmica liberada por un cuerpo negro – un absorbente perfecto y radiador de energía – será tan desordenada, o tan aleatoria, como sea posible. Por ejemplo, una lámpara incandescente caliente emitirá muchos fotones de distintos colores los cuales juntos hacen la luz blanca. Pero debido a que el filamento del nanotubo puede considerarse un sistema mecánico cuántico, Regan cree que puede no obedecer la ley – los fotones que libera pueden ser menos aleatorios que los de filamentos mayores.

“La mecánica cuántica es la teoría adecuada para usarse en sistemas con muy pocas partículas, y la termodinámica es la teoría correcta para usarse en sistemas con muchas partículas”, dice Regan. “No tenemos una teoría para el régimen intermedio entre estos dos límites, por esta razón es por la que realizamos el experimento”.


Referencia Original: Physical Review Letters

Autor: Colin Barras
Fecha Original: 1 de mayo de 2009
Enlace Original

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Comments (12)

  1. La lámpara más pequeña del mundo abarca la física clásica y cuántica…

    La lámpara incandescente más pequeña jamás construida, fabricada usando un nanotubo de carbono, ha sido diseñada en los Estados Unidos. Con 1,4 micrómetros de longitud y apenas 13 nanómetros de anchura, el filamento es invisible al ojo desnudo h…

  2. turok

    Estamos en lo de siempre el límite en el cual se supone que el comportamiento clásico se funde con el cuántico…se admiten apuestas.Una pelota de fútbol ¿tiene un comportamiento clásico o cuántico?.Dado su enorme tamaño debería comportarse clásicamente.Pero si nos atenemos al principio de Incertidumbre, resulta que también tiene un comportamiento cuántico, puesto que según tal principio NO puede tener una energía cinética igual a cero, aunque la incertidumbre sea igual o menor que la constante de Planck, hay algo de incertidumbre, luego no está en reposo, aunque uno la vea en reposo(de hecho sus átomos vibran).Así que sigan sintonizados.

    • Si encontrases una partícula tan grande como una pelota podrías aplicarle el razonamiento. Sin embargo, las pelotas reales están compuestas de muchas partículas. Cuando el sistema está en reposo, la suma de velocidades (magnitud vectorial) de todas sus partículas es cero sin serlo su energía cinética (magnitud escalar relacionada con el cuadrado de la velocidad). De hecho, la suma de las energías cinéticas de todas las partículas está relacionada con la temperatura del sistema.

      Saludos.

  3. AAAAA!

    Vamos a jugar futbol cuantico con una pelota de 15 nanometros

    • Hellvetia

      Tampoco creo Turok que sea como comentas. Una pelota de fútbol, tenis… aunque para su formación cuántica este basada en el comportamiento aleatorio del principio de Incertidumbre en nuestro “mundo real” la pelota se comporta según las leyes de la mecánica clásica.
      Lo de la lámpara es interesante por el tamaño pero no creo que pase de eso. Están hablando de longitudes del orden de 13 nanómetros, yo creo que ni aunque se hablara de “femtotubos” o “Atotubos”(algún dia se llegará a esta tecnologia?) se podría hablar de una incompatibilidad física entre la mecánica cuantica y la clásica.

      Si por lo menos estuviéramos hablando de longitudes cercanas a la de Planck(e-35) todavía, pero mientras estemos en el orden nano (e-9) no pienso que se consiga nada.

    • Turok

      Exacto.Veo que lo has entendido.No es ninguna broma tu comentario.De eso precisamente se trata, de ver en que límite nosotros(considerados como objetos macroscópicos)podemos jugar a fútbol con una pelota nanometrica como la que describes(con comportamiento mecanocuántico).Así que lo viste claro.La pregunta es ¿Dónde esta el limite en el que el comortamiento cuántico converge con el clásico?.Y no es filosofia lo que hago como algunos habeis comentado.Sí hubieseis estudido física, deberías saber que uno de los capítulos que abordan el tema, es precisamente, el estudio de los límites en :”El límite clásico.-El límite clásico de la mecánica cuántica., con su principio de correspondencia.- El límite clásico de la mecánica relativista.-El límite clásico de la relatividad especial.Y ,concretamente, el límite clásico de la MC, es uno de los límites que mayormente se estudian en física, preocupando no sólo a físicos, sino también a los matemáticos, como dejo bien patente, el profesor Maurice de Gosson, cuando se comentó aquí aquello del “Camello simpléctico y el límite de las dos mecánicas.Repito no hay ni un ápice de filosofía en mi anterior comentario.Hay física bien establecida y aceptada.

    • adan

      Vamos a jugar futbol cuantico con una pelota de 15 nanometros

      Ja, ja, ja…

  4. Bueno, me parece que no tiene lógica que hagan una nueva lampara incandescente ahora que las estan prohibiendo…

    Pero fuera la tonteria, estoy con Hellvetia. De hecho, decir que la podemos ver, y al mismo tiempo insinuar que puede reaccionar segun las leyes de la mecánica cuántica, parece un poco abusivo… A no ser que nos metamos a filosofar, como Turok, claro.

  5. Turok

    Bien.Mi comentario se dirigía a AAAA!!, pero me equivoqué al pinchar en responder.De hecho da igual, el comentario es tambien válido para los señores Aureus y Hellvetia a los que agradezco sus interesantes comentarios.

  6. Una pelota de futbol convencional tiene como conjunto un comportamiento clásico aunque si tomamamos sus partículas individualmente estos evidentemente tienen comportamientos cuánticos. El problema es, como dice Turok donde está el límite en el que converge la mecánica clásica y la cuántica. Sin embargo, no hace falta llegar a tamaños cercanos a la escala de planck como dice Hellvetia para experimentar fenómenos cuánticos ni muchísimo menos. De hecho existen sistemas macroscópicos que exhiben comportamientos cuánticos como la superfluidez observada en el helio líquido superenfriado (en el video 3 de este enlace podeis ver que en el helio líquido al alcanzar la temperatura lamda cesa toda fricción entre sus moléculas y éste se escapa por los poros microscópicos del vaso que lo contiene: reacciones quimicas ). Por otro lado recientes estudios han demostrado que algunos sistemas macroscopicos presentan también caraterísticas cuánticas como la no localidad. Ver artículo: fallo realismo local
    Asi que parece que el límite entre ambas fronteras esta más “arriba” de lo que pensabamos aunque no creo que tanto como para llegar al tamaño de un balón de fútbol…

  7. Turok

    Por cierto a esa distancia que dices “Hellvetia” (10^-35), tienes la Longitud de Planck,y ahí estamos hablando ya de la supuesta gravedad cuántica.Pero los efectos mecanocuánticos empiezan en el mísmo átomo(con sus electrones, y sus nucleones)y estamos hablando ya de unos 0,1nm.que suele ser el tamaño medio de los átomos.

  8. Turok

    Tu lo has dicho Ilsidur, la energía cinética está relacionada con las temperaturas.Luego la pelota de fútbol tiene una temperatura.Todo tiene una temperatura, porque todo tiene una frencuencia de vibración (o longitud de onda), luego la pelota supuestamente en reposo tiene billones y billones de partículas subátomicas que estan vibrando.Con un termómetro que funcione por rayos infrarrojos puedes medir la temperatura de la pelota “en reposo”.

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