Recientemente, el desarrollo de ordenadores y otros dispositivos electrónicos cada vez más miniaturizados ha despertado un gran interés por comprender los fenómenos físicos que ocurren a escala nanométrica, que ocupa un espacio intermedio entre el mundo microscópico de las partículas elementales y los objetos macroscópicos descritos por la física clásica.
En esta escala «mesoscópica», mayor que la de los átomos y moléculas, pero lo bastante pequeña como para que los efectos cuánticos sean importantes, la mecánica cuántica suele ser necesaria para comprender y describir con precisión estos sistemas. Esto hace que el estudio teórico de estos objetos sea todo un reto, ya que los cálculos de mecánica cuántica suelen ser más complicados que los clásicos.
Si un sistema de tamaño mesoscópico forma parte de un instrumento o artilugio, puede estar sometido a diversas influencias externas, como campos magnéticos y eléctricos, presión, rotación y aceleración, ya sean intencionadas o no. Comprender cómo afectan estos factores a las propiedades físicas de un objeto mesoscópico es importante para diseñar un aparato que funcione como se pretende.
Campos magnéticos y rotación
Para averiguar cómo los campos magnéticos y la rotación rápida cambian las propiedades de los sistemas mesoscópicos, los físicos de la Universidade Federal do Maranhão de Brasil Luís Fernando Pereira y Edilberto Silva analizaron el comportamiento de los electrones en un anillo giratorio que se colocaba en un campo magnético. Los investigadores se interesaron por los electrones porque estas partículas son responsables de las propiedades magnéticas y conductoras de un material, entre otras.
En su estudio teórico, que incluía extensas simulaciones numéricas, los científicos consideraron un anillo con un diámetro inferior a un micrómetro que podría representar una parte giratoria de un dispositivo real. Cuando no giraba, los físicos comprobaron que el comportamiento de los electrones era coherente con estudios anteriores. En concreto, casi todos los electrones, salvo los situados cerca de los bordes del anillo, existían en estados con la misma energía denominados estados de Landau. Los electrones en los estados de los bordes tienen energías más altas.
Se sabe que si un sistema gira, se ve afectado por la fuerza centrífuga, como una persona montada en un carrusel. Por tanto, los científicos esperaban que, de forma similar, la inclusión de la rotación en su análisis influyera en el comportamiento de los electrones. Cuando hicieron girar el anillo alrededor de su eje a una frecuencia de unos 100 gigahercios, comprobaron que, mientras que las energías de los electrones de los bordes permanecían casi invariables, las de los electrones de Landau cambiaban, y cuanto más cerca del borde exterior del anillo se encontraba este electrón, menor era su energía.
¿Dónde puede aplicarse esto?
Este cambio en el comportamiento de los electrones individuales es interesante en sí mismo, pero lo que es aún más significativo es cómo afectó a las propiedades físicas del anillo en su conjunto. Una de ellas es la magnetización, que caracteriza la respuesta del sistema a un campo magnético aplicado.
Normalmente, la magnetización presenta oscilaciones en diente de sierra con una amplitud constante en función del campo magnético, y esto es lo que observaron los investigadores cuando el anillo no giraba. Sin embargo, al activar la rotación, aunque la forma de las oscilaciones seguía siendo prácticamente la misma, su amplitud disminuía. Además, las oscilaciones pasaron a ser significativas a valores más bajos del campo magnético.
Estos descubrimientos sobre la influencia de la rotación en el comportamiento de los electrones y las propiedades físicas de un anillo mesoscópico son interesantes no sólo desde el punto de vista científico, sino que los investigadores creen que pueden encontrar aplicaciones prácticas en un futuro próximo.
Por ejemplo, recientemente se ha demostrado que una pieza diminuta puede girar a gran velocidad cuando se la irradia con luz, y también se ha probado un nuevo sensor de tamaño nanométrico con placa metálica giratoria. Dado el ritmo al que se está desarrollando el campo de los nano y microdispositivos, los autores confían en que estos ejemplos sean sólo el principio, y su estudio será útil para una amplia clase de dispositivos con piezas giratorias mesoscópicas.
