Ondas en un tanque de agua que imitan la física del grafeno

Dibujo20151028 Photograph ripple tank surface while driving air through a plexiglass plate with 660 hexagonally arranged holes - ajp

La divulgación a un público general suele ser más fácil cuando se realizan experimentos. Pero en muchos casos, como las propiedades electrónicas del grafeno, no es fácil lograrlo. Se publica en American Journal of Physics un experimento para ilustrar las propiedades de las ondas de electrones en el grafeno (que se comportan como fermiones de Dirac sin masa). Un altavoz emite sonidos que pasan a través de una placa de plexiglás con agujeros en distribución hexagonal e inciden en la superficie de un tanque con agua. Como muestra esta fotografía de la superficie del tanque de agua, el resultado son ondas localizadas que se sitúan en una red hexagonal muy similares a los resultados obtenidos mediante simulaciones numéricas por ordenador.

El artículo es J. Rössler et al., “Wave physics of the graphene lattice emulated in a ripple tank,” Am. J. Phys. 83: 761 (2015), doi: 10.1119/1.4923445arXiv:1503.06771 [cond-mat.mes-hall].

Dibujo20151028 Photograph ripple tank experiment - ajp

La cubeta de agua con un altavoz que genera ondas en su superficie es un experimento típico en muchos laboratorios de física (al menos en universidades). Una luz estroboscópica permite visualizar muchos fenómenos ondulatorios en la superficie del agua. Colocando un espejo en la parte inferior a modo de prisma se proyecta la imagen en un lateral para que todos los alumnos (asistentes a la demostración) puedan disfrutarla. Esta fotografía ilustra la usada por los autores del artículo.

Dibujo20151028 Photograph of the observation screen for a double point - ajp

Se puede ilustrar fácilmente la interferencia entre dos ondas puntuales. Para ello basta poner una placa con dos agujeros entre el altavoz y la superficie del agua. La parte izquierda de esta figura es una fotografía de lo que se observa en el experimento y la parte derecha es una simulación por ordenador. Para muchos de nosotros es más apasionante ver este fenómeno en vivo y en directo en el experimento que en una animación por ordenador.

Dibujo20151028 cut through 2d bandstructure of graphene - ajp

Por supuesto el experimento solo permite disfrutar de una analogía física. En el grafeno se observan fermiones de Dirac sin masa porque las bandas de conducción (arriba) y valencia (abajo) se cruzan en la zona de Brillouin en dando lugar a un cono de Dirac (en realidad son dos conos de Dirac porque la celda unidad primitiva del grafeno está formada por dos átomos). En la cubeta de agua se obtiene una relación de dispersión parecida, pero no idéntica. Ello no quita que una demostración de bajo coste como la propuesta por Rössler tenga un gran interés divulgativo.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 25 febrero, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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