Come la meccanica quantistica si applica all'elettronica moderna

La meccanica quantistica studia le cose più piccole misurabili — "quantum" significa "misura minima possibile". Sebbene matematicamente solida e coerente, è sconcertante per chi ha una prospettiva radicata nel mondo fisico che conosciamo. La meccanica quantistica guida anche una grande percentuale dell'elettronica che rende il mondo moderno ciò che è oggi.

Transistor

I transistor usano effetti meccanico-quantistici — in particolare il tunneling degli elettroni — per agire come valvole per la corrente elettrica. Ogni transistor ha una base di cristallo di germanio o silicio cresciuta con impurità. Quando si applica corrente elettrica alla base, questa diventa conduttiva tramite effetti meccanico-quantistici. Quando l'elettricità viene rimossa, diventa un isolante. I transistor possono amplificare segnali elettrici, ed è così che pilotano gli altoparlanti in cuffie e stereo. Con due stati sfruttabili, i transistor derivano 0 e 1 — le basi della matematica binaria. Semplicemente, ogni computer elettronico, dalla calcolatrice tascabile allo smartphone, è costruito da transistor, e il processo per fabbricarli usa la meccanica quantistica. Ulteriori progressi nella meccanica quantistica stanno rendendo i transistor più efficienti energeticamente attraverso un uso raffinato del tunneling degli elettroni.

Celle fotovoltaiche

Se hai un dispositivo con caricabatterie solare, stai usando l'effetto fotoelettrico della meccanica quantistica. È il meccanismo per cui un fotone colpisce un semiconduttore e innesca una cascata di elettroni. Mentre è più noto per la Teoria della Relatività, il Premio Nobel di Einstein è per aver spiegato matematicamente l'effetto fotoelettrico. I fotoni sono i quanti di energia elettromagnetica.

Cronometraggio preciso

I tuoi dispositivi elettronici che segnano il tempo lo fanno attraverso l'effetto di un oscillatore a cristallo di quarzo che usa un processo meccanico-quantistico chiamato effetto piezoelettrico. Mentre una corrente molto piccola scorre sul quarzo, alcuni suoi elettroni vengono assorbiti dal cristallo, che si espande; quando la corrente si spegne, il cristallo si contrae. Poiché questo processo avviene a scale molto piccole, servono quantità minuscole di energia. Per orologi molto precisi, l'Osservatorio Navale USA usa il decadimento del cesio come misura del tempo perché il tasso di decadimento degli elementi radioattivi può essere misurato con precisione. Quel decadimento è un effetto meccanico-quantistico.

Laser

La parola "laser" significa "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", e il laser nel tuo lettore CD è un artefatto della meccanica quantistica quanto i transistor che convertono il segnale in suono. Per fare un laser, usi l'effetto fotoelettrico al contrario. Invece di avere un elettrone espulso da un materiale assorbendo un fotone della giusta energia, gli elettroni in un materiale vengono eccitati finché non rilasciano un quanto di energia. Tutti i fotoni rilasciati in questo modo avranno la stessa frequenza, che si traduce (almeno nello spettro visibile) in un singolo colore.