Desarrolla
equipo de la UAM
la Teoría de Sistemas Periódicos Finitos
SETENTA AÑOS DESPUÉS de haber sido formulada,
la Teoría de los Sistemas Periódicos logró incorporar
la propiedad de finitud, un éxito científico mundial
que se apuntó un grupo de investigadores de la UAM y que podría
arrojar beneficios a la comprensión de propiedades básicas
de varios sistemas físicos y al diseño de otros empleados
en la industria opto-electrónica de láseres.
El desarrollo por primera vez de la Teoría de los Sistemas
Periódicos Finitos estuvo a cargo del grupo encabezado por
doctor Pedro Pereyra Padilla, profesor-investigador del Área
de Física Teórica y Materia Condensada.
Esa meta, perseguida por la comunidad científica internacional,
fue alcanzada dentro del trabajo de investigación Theory of
finite periodic systems: General expression and various simple and
illus-trative examples, merecedor del Premio a la Investigación
2003 en el área de Ciencias Básicas e Ingeniería
(CBI).
Descripción
La Teoría de Sistemas Periódicos Finitos es una formulación
nueva apropiada para describir los sistemas periódicos reales,
los cuales están constituidos por una repetición finita
de la celda unitaria, que es la pieza fundamental de los sistemas
periódicos. Los cristales, metales conductores, semiconductores
y supercon-ductores son algunos ejemplos de ese tipo de sistemas.
Además de diferenciarse de los sistemas desordenados, los periódicos
poseen propiedades electrónicas y ópticas especiales
debido a su estructura periódica. En los últimos años
se han desarrollado técnicas experimentales que permiten producir
sistemas periódicos artificiales conocidos como superredes;
éstos sistemas forman parte de dispositivos opto-electrónicos
(láseres) en los que es aún más evidente la necesidad
de una teoría de sistemas periódicos finitos.
Beneficios
Con la Teoría de Sistemas Periódicos Finitos es posible
estudiar propiedades de transporte y estacionarias (estructura de
banda y densidad de estados) en sistemas cerrados o casi cerrados,
así como las transiciones de electrones en procesos con emisión
de luz, como las que ocurren en las superredes de la zona de activación
de algunos sistemas láser, presentes en aparatos médicos
y CD’s, entre otros.
En entrevista, el doctor Pedro Pereyra relató que hace 10 años
comenzó a desarrollar esta línea de investigación,
bajo el impulso de la nanotecnología. La actual, explicó,
es la era de la fabricación de sistemas de dimensiones nanoscópicas,
casi atómicas, ya que un átomo tiene un radio del orden
de diez a la menos diez metros y un sistema nanoscópico posee
dimensiones de cinco a algunas decenas de átomos, lo que equivale
a sistemas cuyo tamaño es de unas millonésimas de milímetro.
El científico señaló que no todos los sistemas
nanos-cópicos son periódicos, pero en estas dimensiones
es más evidente la necesidad de incorporar, rigurosamente,
el tamaño del sistema, es decir su finitud. “Tradicionalmente
se ha empleado la Teoría de Sistemas Infinitos que aunque no
es tan precisa, ha dado buenos resultados; sin embargo, para satisfacer
los métodos experimentales actuales se requiere de teorías
mucho más exactas y de más fácil aplicación”.
Características y aplicaciones
La Teoría de Sistemas Periódicos Finitos es rigurosa,
con altos niveles de predicción y matemáticamente simple,
por lo que gracias a ella podrán diseñarse nuevos dispositivos
útiles en la industria electrónica.
El equipo de investigadores que dirige Pereyra está aplicando
la Teoría con éxito para estudiar la dinámica
de portadores de carga con spín (momento del giro de un electrón
en un sentido o en otro) en las superredes magnética s, sistemas
que aún están en investigación y que podrán,
en el futuro, sustituir algunos de los dispositivos que se emplean
en la electrónica actual.
Al profundizar sobre este punto, señaló que la teoría
en cuestión se utiliza para describir las superredes magnéticas
en las que el spín del electrón puede ser detectado.
El reconocimiento del spín, abundó, puede ser suficiente
para diseñar compuertas y filtros de spín, entre otros
dispositivos.
Otras aplicaciones de esta Teoría son el cálculo del
tiempo de tunelaje en superredes y la fotoluminiscencia en dispositivos
láser. También permite determinar y reproducir con precisión
extraordinaria los tiempos de tránsito superlumínicos,
observados de manera experimental en fotones.
Además son estudiadas las foto-transiciones en sistemas que
emiten en el azul y que fueron desarrollados por científicos
japoneses hace unos 15 años. El láser azul permitió
producir fotocopiadoras o impresoras láser de color.
Para generar un sistema láser con propiedades nuevas, en la
actualidad se siguen fundamentalmente métodos empíricos.
Esto requiere tiempo y recursos y hace necesario crecer sistemas constituidos
por capas semicon-ductoras para luego observar si se logró
el cambio o las características deseadas.
En este sentido, el profesor galardonado explicó que por medio
de la Teoría y de cálculos relativamente simples, es
posible modificar las características del dispositivo en cuestión
de minutos y no en semanas como requeriría la experimentación
científica. Esto significa que sin necesidad de pasar por las
etapas de prueba y error y sin construir los dispositivos, se pueden
realizar ensayos teóricos y observar las consecuencias.
La Teoría es capaz de predecir niveles de energía en
el interior de las bandas, que confieren propiedades especiales a
los sistemas periódicos y facilitan el transporte de corriente
eléctrica o luz en cristales, metales, semiconductores, superconductores
y superredes.
Al avanzar en el conocimiento de las propiedades de las estructuras
de las bandas crecen las posibilidades de aprovecharlas para hacer
más eficientes los dispositivos electrónicos que se
usan en radios, televisores, computadoras.
La maestra Edith Castillo Corona, alumna de la Universidad de Guadalajara,
participó en el trabajo de investigación premiado. /Rosario
Valdez Camargo.
