¿Pueden los ingenieros utilizar la mecánica cuántica o está restringido a los científicos?

La Mecánica Cuántica no solo está restringida para los científicos o la discusión teórica, sino que es muy informativa y se usa e intenta usar en cuestiones tecnológicas.

La mecánica cuántica, poco después de la invención, obtuvo aplicaciones en diferentes áreas del conocimiento humano. Quizás, la característica más atractiva de la mecánica cuántica es su aplicación en áreas tan diversas como astrofísica, física nuclear, espectroscopía atómica y molecular, física y nanotecnología de estado sólido, cristalografía, química, biotecnología, teoría de la información, ingeniería electrónica …

El modelado cuántico se está convirtiendo en un aspecto crucial en la investigación de nanoelectrónica en perspectiva de aplicaciones analógicas y digitales. Los dispositivos como los diodos de túnel resonantes o las láminas de grafeno son ejemplos de estructuras de estado sólido que están recibiendo gran importancia en la nanotecnología moderna para sistemas de alta velocidad y miniaturizados. A diferencia del transporte habitual donde la corriente electrónica fluye en una sola banda, la característica notable de estas nuevas estructuras de estado sólido es la posibilidad de lograr un acoplamiento agudo entre estados pertenecientes a diferentes bandas. En algunas condiciones, se puede observar una contribución no despreciable al transporte de partículas inducido por el túnel entre bandas y, en consecuencia, el transporte de banda única o la descripción clásica de espacio de fase del movimiento de carga basado en la ecuación de Boltzmann ya no son precisas. Se han propuesto diferentes enfoques para la descripción cuántica completa del transporte de electrones con la inclusión de los procesos entre bandas. Entre ellos, la formulación espacio-fase de la mecánica cuántica ofrece un marco en el que los fenómenos cuánticos pueden describirse con un lenguaje clásico y la cuestión de la correspondencia cuántica-clásica puede investigarse directamente. En particular, la representación visual del movimiento mecánico cuántico mediante trayectorias de plano de fase con corrección cuántica es un instrumento valioso para la investigación de la coherencia cuántica partícula-partícula. Sin embargo, debido a la no conmutatividad de los operadores de mecánica cuántica, no existe una forma única de describir un sistema cuántico mediante una función de distribución de fase-espacio. Entre todas las posibles definiciones de las funciones de distribución cuántica de fase-espacio, la función Wigner, las funciones Glauber-Sudarshan P y Q, la distribución Kirkwood y Husimi han alcanzado un interés considerable (Lee, 1995). La función de distribución Glauber-Sudarshan ha resultado ser particularmente útil en óptica cuántica y en el campo de la física de estado sólido y el formalismo de Wigner representa una elección natural para incluir correcciones cuánticas en el movimiento clásico de fase-espacio (ver, por ejemplo, (Jüngel , 2009)).

Este capítulo tiene la intención de presentar diferentes enfoques para modelar el transporte cuántico en nanoestructuras basadas en el Wigner, o más generalmente, en el formalismo cuántico fase-espacio. Nuestra discusión se centrará en la aplicación del procedimiento de cuantificación de Weyl a varios problemas. En particular, mostramos la existencia de un formalismo multibanda bastante general y discutimos su aplicación a algunos casos relevantes. De acuerdo con la representación de Schrödinger, donde un sistema físico puede caracterizarse por un conjunto de proyectores, ampliamos el enfoque original de Wigner al considerar una clase más amplia de representaciones. Las aplicaciones de este formalismo abarcan diferentes temas: el transporte multibanda y sus aplicaciones a nano-dispositivos, aproximaciones cuasi clásicas del movimiento y la caracterización de un sistema en términos de fases de Berry o, más generalmente, la representación de un cuanto sistema mediante un colector Riemann con una conexión adecuada. Discutimos algunos resultados obtenidos en este contexto presentando las líneas principales de la derivación de los modelos y sus aplicaciones. Se hace especial hincapié en presentar los métodos utilizados para la aproximación de la solución. Este último es un aspecto particularmente importante de la teoría, pero a menudo se subestima: la descripción de un sistema en el espacio de fase cuántico generalmente implica una formulación matemática muy compleja y la solución de la ecuación de movimiento solo está disponible mediante aproximaciones numéricas. Además, la aproximación de la solución cuántica de fase-espacio en algunos casos no es simplemente un truco técnico para representar la solución, sino que podría revelarse como una base valiosa para una investigación metodológica adicional de las propiedades de un sistema. En el caso multibanda, algunos procedimientos asintóticos diseñados para la aproximación de la solución cuántica de Wigner han mostrado una conexión muy atractiva con la teoría de Dyson de la interacción de partículas, lo que nos permite describir la transición cuántica entre bandas mediante un proceso de dispersión efectivo (Morandi & Demeio, 2008). Además, la conexión formal entre el formalismo de Wigner y el enfoque clásico de Boltzmann sugiere algunas aproximaciones directas y generales donde se pueden incluir mecanismos de dispersión y relajación en el marco de la mecánica cuántica.

Y hay muchos …

Mecánica Cuántica e Ingeniería

Si está haciendo una investigación de alto nivel en dispositivos de estado sólido (ingeniería electrónica), el comportamiento atómico se vuelve importante y no está de más saber un poco sobre mecánica cuántica. Si construye circuitos no tanto, ya que seleccionará componentes para sus valores conocidos y probados en términos eléctricos.

En mecánica, en un laboratorio de investigación bien financiado, puede encontrarlos trabajando a nanoescalas. En un taller ordinario, no se mecanizaría más allá de la tolerancia de 0,01 mm (10 um) en situaciones de trabajo diario, ya que un componente de mayor precisión es muy difícil de fabricar y, en consecuencia, costoso.

Una cosa particular en electrónica viene a la mente. Compuestos de tunelización cuántica (QTC) que son cosas raras. No los he usado excepto para jugar, pero se usan como sensores de presión. Cuanta más presión, más se acercan los elementos conductores y los electrones parecen atravesar el aislante. La resistencia no es lineal pero se vuelve exponencial con la distancia decreciente (una función no óhmica). Puede obtener una diferencia de 1 X 10 ^ 12 de no presión a presión total. Esto no puede explicarse en términos de física clásica, es decir, no cuántica.

Puedes comprarlo en forma de píldora para experimentar. Todavía es una tecnología muy nueva (1996) que necesita más investigación y sus aplicaciones aún están surgiendo. En 2012, la NASA lo usó en su Robonaut (estoy seguro de que si el señor Frost está leyendo esto, puede contarnos más) como una forma de hacer que diga qué tan difícil y dónde estaba agarrando algo.

Las posibles aplicaciones se encuentran en los campos de la medicina, el entrenamiento deportivo y la ropa inteligente, y se están realizando investigaciones para esto. La propiedad intelectual es compartida por Peratech y QIO Systems y actualmente fabrican Electex, que es un tejido conductor. Se utiliza para teclados plegables.

La mecánica cuántica, como se la conoce, se ocupa de sistemas microscópicos (partículas atómicas y subatómicas), o en general su dominio de trabajo son los campos y las partículas, sus interacciones y descripciones. Los ingenieros son de diferentes campos, algunos campos, como la ingeniería informática, electrónica ingeniero, ingeniero eléctrico, ingeniero de física, mecánica cuántica se puede utilizar según sea necesario, porque estas ramas de ingeniería se ocupan de los sistemas atómicos y subatómicos.

En Ingeniería Eléctrica, la mecánica cuántica entra en juego en varias áreas, como láseres, electroóptica (incluidas pantallas LCD, pantallas de plasma, sensores de cámara, etc.) y propiedades electrónicas de películas muy delgadas (geometría de transistores y circuitos integrados, efecto de túnel de diodos y transistores, etc.).

La principal revista científica / de ingeniería dedicada a esta área (que se ha publicado desde 1965) es el IEEE Journal of Quantum Electronics.

La pregunta podría cambiar: ¿Pueden los científicos usar ingenieros para resolver sus problemas con la mecánica cuántica? Esto expresa mi frustración porque la fusión como fuente de energía y la computación cuántica están tardando tanto cuando los principios son claramente conocidos. Un amigo, que también es ingeniero, trabajó en un laboratorio de fusión láser. Expresó su frustración por el hecho de que los Investigadores principales que apoyaba eran tan decididos en sus ideas que no prestaron atención a sus recomendaciones.

Los ingenieros pueden no recibir suficiente mecánica cuántica en la universidad para desarrollar diseños efectivos cuando se requiera un conocimiento detallado. Sin embargo, me vienen a la mente algunos desafíos que requieren su uso. OTOH no hay nada que prohíba tal matrimonio en caso de que surja la situación en la que debería ayudar.

Jaja. Todos pueden usar QM si les es útil. Los ingenieros eléctricos y los ingenieros químicos tienen que usarlo. Es posible que los ingenieros civiles no lo necesiten con mucha frecuencia, pero no está de más saberlo. Ingenieros mecánicos … depende del tamaño de las máquinas con las que estén trabajando. La constante de Planck establece una escala absoluta para la estructura de la materia, por lo que sería una buena idea saber cuándo los efectos cuánticos pueden comenzar a aparecer.

Por supuesto, los ingenieros podrían usar la mecánica cuántica, pero no le gusta al ingeniero tratar con entidades abstractas. La mecánica cuántica es uno de esos modelos científicos que carece de cualidades visuales. Es por eso que los milagros de nanotecnología nacieron muertos después de un embarazo de diez años. Como uno por uno de los magos de la nanotecnología caen en desgracia. Ver el destino de Alain Kaloyeros.

Ingeniero aquí. Use la mecánica cuántica cuando sea necesario. La estructura de banda y el transporte de electrones y huecos en semiconductores no se pueden entender sin la mecánica cuántica. Algunos de los simuladores que utilizo incorporan mecánica cuántica para calcular las movilidades de los portadores que determinan la corriente de salida y la ganancia de los transistores. También es muy importante en el diseño de estructuras epitaxiales para láseres semiconductores.

Ab-initio Los cálculos mecánicos cuánticos que simulan muchos átomos para predecir propiedades del material se están volviendo más comunes.

Los cristianos también usan la mecánica cuántica para calcular las energías y la estabilidad de los nuevos productos químicos.

Los recursos computacionales son lo suficientemente grandes en estos días, utilizando la mecánica cuántica para el trabajo de ingeniería real es factible y también rentable en comparación con muchos experimentos de prueba y error.

Cuando leí tu pregunta, imaginé a un ingeniero sentado en una mesa con una bolsa etiquetada como “Mecánica Cuántica”, a punto de abrirla. De repente, un hombre con bata de laboratorio se acerca a la mesa y le quita la bolsa, gritando: “¡No hay mecánica cuántica para ti!”

Esto probablemente no fue de ninguna ayuda.