1. ¿Qué son los aceleradores y colisionadores, y para qué se usan? ¿Cuál es el mayor acelerador actualmente existente?

Los aceleradores aumentan la energía de partículas cargadas mediante campos eléctricos. Los colisionadores hacen chocar estas partículas para estudiar su estructura y descubrir nuevas partículas.

El más grande del mundo es el LHC (Large Hadron Collider) del CERN, con 27 km de circunferencia. En él se descubrió el bosón de Higgs en 2012.

2. ¿Qué son los quarks? Explica la estructura de los protones y neutrones.

Los quarks son partículas elementales que forman los hadrones, como protones y neutrones.

Hay seis tipos: up, down, charm, strange, top y bottom.

• Protón: 2 quarks up + 1 down → carga +1
• Neutrón: 1 quark up + 2 down → carga 0

3. ¿Qué son los experimentos de dispersión inelástica profunda y qué demostraron?

Son experimentos realizados en SLAC donde se lanzaron electrones de alta energía contra protones.

Los electrones rebotaron como si chocaran con tres puntos internos → prueba directa de la existencia de quarks dentro de los protones.

4. ¿Cómo explica la cromodinámica cuántica la interacción fuerte entre quarks?

La QCD (cromodinámica cuántica) dice que los quarks tienen carga de color (rojo, verde, azul) y se unen mediante el intercambio de gluones, que también tienen color.

La fuerza es más débil a distancias cortas y muy intensa a largas, lo que impide separar quarks (libertad asintótica).

5. Describe brevemente el modelo estándar.

Es la teoría que explica las partículas fundamentales y tres fuerzas (excepto la gravedad).

Incluye:

• Quarks (forman hadrones)
• Leptones (como el electrón y los neutrinos)
• Bosones gauge: gluón (fuerte), fotón (EM), W⁺/Z⁰ (débil)
• Bosón de Higgs: explica el origen de la masa

6. ¿Qué son los hadrones y qué tipos hay?

Son partículas compuestas por quarks unidas por la interacción fuerte.

Tipos:

• Bariones: 3 quarks (protón, neutrón)
• Mesones: quark + antiquark (piones, kaones)

7. ¿Qué son los leptones y qué tipos hay?

Son partículas elementales que no sienten la fuerza fuerte.

Hay 6 tipos:

• Electrón, muón, tau (con carga)
• Neutrino electrónico, muónico, tauónico (sin carga)

8. ¿Qué son los bosones gauge y qué tipos existen?

Son las partículas mediadoras de las fuerzas fundamentales (menos la gravedad).

Tipos:

• Fotón → fuerza electromagnética
• Gluones → fuerza fuerte
• W⁺ y Z⁰ → interacción débil

Tienen espín entero y permiten que las partículas interactúen entre sí.

1. ¿Cuál fue la motivación de Nath Bose para desarrollar su nueva estadística?

Satyendra Nath Bose buscaba deducir la ley de radiación del cuerpo negro sin recurrir a conceptos de la física clásica. Le inquietaba que dicha ley incluyera elementos clásicos a pesar de implicar cuantización. Su objetivo era crear una nueva estadística coherente con la naturaleza cuántica de los fotones, lo que lo llevó a proponer una estadística que tratara a las partículas como iguales e indistinguibles (a diferencia de la clásica, que las considera distinguibles).

2. ¿Cuál fue la novedad que introdujo el trabajo de Einstein sobre las ideas de Bose?

Einstein extendió las ideas estadísticas de Bose, originalmente aplicadas a fotones, a partículas materiales, en particular a un gas ideal de átomos. Predijo que, al enfriar lo suficiente el sistema, las partículas caerían al estado de mínima energía formando un nuevo estado cuántico colectivo: el condensado de Bose-Einstein. Esta fue una de las primeras predicciones de un fenómeno cuántico macroscópico.

3. ¿Qué es un condensado de Bose-Einstein (CBE)?

Es un estado de la materia que ocurre cuando un conjunto de bosones (partículas con espín entero) se enfría hasta temperaturas cercanas al cero absoluto. En ese estado, la mayoría de las partículas ocupan el nivel más bajo de energía, comportándose como una única onda cuántica coherente. Se considera el quinto estado de la materia.

4. Características importantes de un condensado de Bose-Einstein

• Ocurre a temperaturas extremadamente bajas.
• Las partículas pierden su identidad individual.
• Todas las partículas en el estado base se comportan coherentemente.
• Se describe mediante una única función de onda cuántica.
• Las propiedades del sistema se manifiestan a escala macroscópica.
• La longitud de onda de de Broglie de las partículas se hace comparable al tamaño del sistema.

5. Características principales de un líquido superfluido

• Viscosidad nula: fluye sin fricción.
• Conductividad térmica extremadamente alta.
• Se mueve a través de canales estrechos sin resistencia.
• Es un fenómeno cuántico macroscópico.
• Puede subir por las paredes del recipiente o escapar por grietas mínimas.

6. Explicación cualitativa de la superfluidez del He-4

El helio-4 es un bosón (2 protones + 2 neutrones + 2 electrones). Al enfriarlo por debajo de 2.17 K, entra en estado superfluido (He II). En ese estado, todos los átomos del líquido se comportan como una macro-partícula cuántica coherente, y las colisiones internas desaparecen. Así, el líquido fluye sin viscosidad y manifiesta propiedades exóticas.

7. ¿Qué papel jugó Kamerlingh Onnes en la superconductividad?

Kamerlingh Onnes fue pionero en el estudio de bajas temperaturas. En 1911, al estudiar la conductividad del mercurio, descubrió que su resistencia eléctrica desaparecía completamente a 4.2 K, fenómeno que bautizó como superconductividad. Recibió el Premio Nobel en 1913 por sus investigaciones.

8. ¿Qué es el efecto Meissner?

Es el fenómeno por el cual un superconductor expulsa completamente el campo magnético de su interior al pasar por debajo de la temperatura crítica. Es un diamagnetismo perfecto, lo que implica que un superconductor no solo conduce sin resistencia, sino que también rechaza los campos magnéticos aplicados desde el exterior.

9. Explicación cualitativa de la teoría BCS

La teoría BCS (Bardeen, Cooper y Schrieffer, 1957) explica la superconductividad como un efecto colectivo de los electrones. A bajas temperaturas, los electrones forman pares de Cooper, gracias a la interacción con la red cristalina. Estos pares actúan como bosones y se condensan en un estado coherente de mínima energía. La corriente fluye sin resistencia porque los pares de Cooper se mueven sin dispersarse.

10. ¿Qué es el efecto Josephson?

Es un fenómeno cuántico en el que pares de Cooper atraviesan una delgada capa aislante entre dos superconductores sin perder su coherencia. Este efecto de túnel cuántico fue predicho por Brian Josephson en 1962 y es la base del funcionamiento del SQUID y de varios dispositivos cuánticos.

11. Fundamentos físicos del funcionamiento de un SQUID

El SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) es un dispositivo ultrasensible basado en interferencias cuánticas entre corrientes que atraviesan dos uniones Josephson. Al aplicarse un campo magnético, se genera una diferencia de fase entre las corrientes que provoca interferencias. Es el magnetómetro más sensible que existe, capaz de detectar campos magnéticos del orden de 10⁻¹³ T, como los del cerebro humano.

12. ¿Qué aspectos más importantes caracterizan los superconductores de alta temperatura?

• Son materiales cerámicos complejos (óxidos con estructura perovskita).
• Tienen temperaturas críticas mucho mayores que los superconductores convencionales (por encima de 77 K).
• Algunos alcanzan hasta 133 K.
• No siguen la teoría BCS convencional.
• Fueron descubiertos en 1986 por Müller y Bednorz, quienes recibieron el Premio Nobel en 1987.
• Son prometedores para aplicaciones prácticas debido a su menor requerimiento de refrigeración.

1. Describe la aportación de Felix Bloch en el desarrollo de la física del estado sólido

Felix Bloch, alumno de Heisenberg, introdujo en 1928 la teoría cuántica de los sólidos. Aplicó la ecuación de Schrödinger a electrones en un potencial periódico (producido por la red cristalina). Demostró que los electrones se describen como ondas planas moduladas por una función periódica. Su análisis introdujo el concepto de bandas de energía, fundamentales para entender la conducción eléctrica en sólidos. Su trabajo dio lugar a la nueva física del estado sólido.

2. Concepto de banda de energía en la descripción energética de un sólido

Una banda de energía es un rango continuo de niveles energéticos que los electrones pueden ocupar dentro de un sólido debido a la interacción con la red cristalina. Estas bandas surgen al aplicar la mecánica cuántica a sistemas periódicos. Entre bandas permitidas pueden aparecer zonas prohibidas llamadas bandas prohibidas o gaps, que determinan si un material se comporta como conductor, semiconductor o aislante.

3. Descripción cualitativa de las propiedades de conducción eléctrica de aislantes y metales utilizando la teoría de bandas

• En los metales, la banda de conducción está parcialmente llena o se superpone con la banda de valencia, permitiendo el movimiento libre de electrones → alta conductividad.
• En los aislantes, hay un gran gap de energía entre la banda de valencia (llena) y la de conducción (vacía), por lo que los electrones no pueden moverse libremente → no conducen.
• En los semiconductores, el gap es pequeño (~1 eV), y a temperatura ambiente algunos electrones pueden saltar a la banda de conducción → conducen moderadamente y su conductividad aumenta con la temperatura.

4. ¿Qué supuso el desarrollo del radar en la investigación sobre semiconductores?

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial impulsó la investigación sobre semiconductores, ya que se necesitaban rectificadores eficientes para detectar señales. Esto llevó a los Bell Labs a estudiar con más profundidad materiales como el germanio y el silicio, iniciando así una línea de investigación que culminaría en la invención del transistor.

5. ¿Qué motivó a AT&T apoyar tan decididamente la investigación sobre semiconductores?

AT&T necesitaba amplificadores eficientes para las comunicaciones telefónicas transcontinentales. Las válvulas de vacío que se usaban hasta entonces eran voluminosas, frágiles y generaban calor. Esto motivó a AT&T, a través de los Bell Labs, a invertir en investigación de dispositivos de estado sólido, lo que llevó finalmente a la invención del transistor.

6. ¿A qué investigadores se atribuye la invención del transistor?

El transistor fue inventado en 1947 por John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain en los Bell Labs. Bardeen y Brattain construyeron el primer transistor de punta de contacto, mientras que Shockley desarrolló el transistor de unión bipolar (BJT). Los tres recibieron el Premio Nobel de Física en 1956.

7. Describe la estructura de bandas de un material semiconductor

En un semiconductor, los electrones llenan la banda de valencia a baja temperatura, y existe un pequeño gap de energía (~1 eV) hasta la banda de conducción. A temperatura ambiente, algunos electrones adquieren suficiente energía térmica para pasar a la banda de conducción, dejando huecos en la banda de valencia. Así, el semiconductor puede conducir corriente mediante el movimiento de electrones y huecos.

8. ¿Qué es un hueco?

Un hueco es una ausencia de electrón en la banda de valencia de un semiconductor. Aunque no es una partícula real, actúa como una carga positiva móvil. Cuando un electrón de la banda de valencia se mueve para llenar un hueco, el hueco se desplaza en sentido contrario, facilitando la conducción eléctrica.

9. ¿Cómo se genera un par electrón-hueco?

Cuando un electrón en un semiconductor absorbe suficiente energía térmica o fotónica, puede saltar desde la banda de valencia a la banda de conducción. Este salto genera un par electrón-hueco: el electrón queda libre en la banda de conducción y el hueco permanece en la banda de valencia. Ambos contribuyen a la conducción eléctrica.

10. Describe el proceso de dopado para obtener un semiconductor N

El dopado tipo N consiste en añadir al semiconductor puro (como silicio) átomos con más electrones de valencia (por ejemplo, fósforo con 5 electrones de valencia frente a los 4 del silicio). Este electrón extra queda débilmente ligado y puede pasar fácilmente a la banda de conducción, aumentando la conductividad. En un semiconductor tipo N, los electrones son los portadores mayoritarios.

(Condensado de Bose-Einstein, Superfluidez y Superconductividad)— 2

1. ¿Cuál fue la motivación de Nath Bose para desarrollar su nueva estadística?
2. ¿Cuál fue la novedad que introdujo el trabajo de Einstein sobre las ideas de Bose?
3. ¿Qué es un condensado de Bose-Einstein?
4. Características importantes de un condensado de Bose-Einstein
5. Características principales de un líquido superfluido
6. Explicación cualitativa de la superfluidez del He-4
7. ¿Qué papel jugó Kamerlingh Onnes en la superconductividad?
8. ¿Qué es el efecto Meissner?
9. Explicación cualitativa de la teoría BCS
10. ¿Qué es el efecto Josephson?
11. Fundamentos físicos del funcionamiento de un SQUID
12. ¿Qué aspectos más importantes caracterizan los superconductores de alta temperatura?