ScienceDaily (26 de febrero de 2010) -
Los ingenieros de Princeton han logrado un avance sobre el viejo dilema de la física cuántica, allanando el camino para el desarrollo de nuevos materiales que podrían hacer que los dispositivos electrónicos más pequeños y vehículos más eficientes energéticamente. Través de la revisión de una teoría propuesta por primera vez por los físicos en la década de 1920, los investigadores descubrieron una nueva manera de predecir las características importantes de un nuevo material antes de que se ha creado.
. La nueva fórmula permite a los ordenadores para modelar las propiedades de un material de hasta 100.000 veces más rápido que antes y amplía enormemente la gama de propiedades de los científicos puedan estudiar.
"Los científicos de la ecuación se utiliza enormes cantidades que antes eran ineficiente y consumian la potencia de cálculo, por lo que se limitaron a modelar unos pocos cientos de átomos de un material perfecto", dijo Emily Carter, el profesor de ingeniería que dirigió el proyecto.
"Propiedades importantes son en realidad determinada por las fallas, pero para entender los que necesitan mirar a miles o decenas de miles de átomos para los defectos están incluidos. Con esta nueva ecuación, hemos sido capaces de modelar hasta un millón de átomos, de modo que nos acercamos a las propiedades reales de una sustancia. "
. Al ofrecer una vista panorámica de cómo se comportan las sustancias en el mundo real, la teoría da a los científicos una herramienta para el desarrollo de materiales que pueden ser utilizados para el diseño de las nuevas tecnologías. Marcos hechos de coches más ligeros, las aleaciones metálicas fuertes, por ejemplo, podría hacer que los vehículos más eficientes energéticamente, y más pequeños, rápidos dispositivos electrónicos pueden ser producidos a partir de nanocables con diámetros de decenas de miles de veces más pequeño que el de un cabello humano.
La nueva teoría tiene su origen en la ecuación de Thomas-Fermi, un concepto propuesto por Llewellyn Hilleth Thomas y premio Nobel Enrico Fermi en 1927. La ecuación es un medio simple de relacionar dos características fundamentales de los átomos y moléculas.Se especuló con que los electrones tienen la energía como resultado de su movimiento - de la energía cinética de electrones - podría calcularse en función de cómo los electrones se distribuyen en el material. . Los electrones que se limitan a una pequeña región tienen mayor energía cinética, por ejemplo, mientras que los distribuyen en un gran volumen tienen menos energía.
. La comprensión de esta relación es importante porque la distribución de los electrones es más fácil de medir, mientras que la energía de los electrones es más útil en el diseño de los materiales. Conocer el electrón de energía cinética ayuda a los investigadores determinar la estructura y otras propiedades de un material, tales como la forma en que cambia de forma en respuesta al estrés físico. La captura fue que Thomas y el concepto de Fermi se basó en un gas teórica en la que los electrones se distribuyen uniformemente a lo largo. No podría ser utilizado para predecir las propiedades de los materiales reales, en la que la densidad de electrones es menos uniforme.
El gran avance se dio en 1964, cuando otra pareja de científicos, Pierre Hohenberg y Walter Kohn, otro premio Nobel, demostró que los conceptos propuestos por Thomas y Fermi se podría aplicar a los materiales reales. Si bien no se deriva una final, la ecuación de trabajo relacionados directamente con electrones de energía cinética para la distribución de los electrones, Hohenberg y Kohn sentaron las bases formales que resultó ser una ecuación existe.. Los científicos han estado buscando una teoría de trabajo desde entonces.
Carter comenzó a trabajar en el problema en 1996 y produjo un avance significativo con dos investigadores postdoctorales en 1999, sobre la base de Hohenberg y el trabajo de Kohn. ........ En ausencia de una solución, los investigadores han estado calculando la energía de cada átomo a partir de cero para determinar las propiedades de una sustancia. .... Carter sabía que el uso de los conceptos introducidos por Thomas y Fermi sería mucho más eficaz, ya que se evitaría tener que procesar la información sobre el estado de todas y cada electrón.
Carter y su grupo ha desarrollado un modelo de trabajo precisos para predecir la energía cinética de los electrones en los metales simples. Pero cuando se intentó aplicar el mismo modelo para los semiconductores - los materiales conductores utilizados en los aparatos electrónicos - sus predicciones no eran exactos.
" Huang said. "Teníamos que averiguar lo que nos faltaba que hizo que los resultados tan diferentes entre los semiconductores y los metales," dijo Huang.." "Entonces nos dimos cuenta de que los metales y los semiconductores responden de manera diferente a los campos eléctricos. Nuestro modelo faltaba esto".
. Su nuevo modelo, publicado en línea 26 en enero la revista Physical Review B, una revista de la Sociedad Americana de Física, proporciona un método práctico para la predicción de la energía cinética de los electrones en los semiconductores , la densidad de sólo el electrón.
"Ahora se puede aplicar con precisión la mecánica cuántica de la materia a escala nunca antes posible". aconsejado por Gilbert.
