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Un’interazione poco conosciuta: parliamo dei Bieccitoni.

Purtroppo il lavoro in queste settimane mi ha bloccato e non mi sono potuto occupare del blog.
Oggi per fortuna ho cinque minuti e quindi eccomi qui.
Con l’intervista al presidente di Almo Nature posso dire praticamente chiusa la mia “battaglia”, e quindi si passa oltre.
Casualmente stavo rivedendo i vecchi files usati durante l’università, e ho ritrovato un’interessante presentazione che avevo fatto al quarto anno. Sinceramente l’argomento non è dei più facili, ma cercherò di spiegarlo nel modo più facile possibile.

Oggi parliamo di Bieccitoni, cioè dell’interazione che viene a formarsi tra due Eccitoni.
La maggior parte di voi immagino non abbia mai sentito neanche parlare di Eccitoni… ma vi prometto che se continuerete a leggere questo breve post avrete scoperto una cosa nuova. E non so voi, ma io adoro scoprire cose nuove e ampliare le mie conoscenze.
Quando ho parlato dei pannelli solari, ed in particolare del drogaggio del silicio, ho introdotto il concetto di elettrone e lacuna.
Nel momento in cui un elettrone e una lacuna vengono formati, come potete immaginare ci sarà un’interazione tra loro.
Ecco, un Eccitone (X) rappresenta esattamente quella interazione. Nel momento in cui abbiamo due coppie elettrone/lacuna avremo due Eccitoni, e quindi un Bieccitone (XX). La formazione di un Bieccitone (che è un bosone) è un processo equivalente a quello che porta alla creazione di un molecola di idrogeno a partire da due atomi isolati.

Immagine1

L’instaurazione del legame nel Bieccitone provoca un abbassamento in energia rispetto alla somma delle energie dei singoli Eccitoni, sperimentalmente misurabile.
Per semplificare i conti ipotizziamo di studiare il sistema attraverso un modello 2-D.
In approssimazione di massa effettiva, l’Hamiltoniana del sistema, che consiste in due elettroni (1 e 2) ed in due lacune (a e b), è data da:

Immagine3

Per il modello introdotto, è conveniente fare un cambio di coordinate, in modo da semplificare ancora di più i conti, utilizzando le coordinate relative tra gli Eccitoni e quella relativa al centro di massa.
Immagine5Facendo il cambio di coordinate fatto in tabella, e imponendo le seguenti relazioni (cioè massa effettiva e ridotta del Bieccitone):
Immagine7

si ricava una formula dell’Hamiltoniana (cioè della funzione che descrive l’energia) molto più semplice.
Immagine6

Da una parte si hanno le energie relative e del centro di massa separate, mentre nella seconda parte si nota la parte di interazione.
Passando alla forma adimensionale (cosa comune nei conti di MQ) e introducendo σ come il rapporto tra la massa dell’elettrone e della lacuna, si ricava finalmente una “semplicissima” equazione:

Immagine8

Praticamente in questo modo si dimostra che il comportamento del Bieccitone è uguale a quello di una molecola di idrogeno.
Per trovare l’energia di legame (pari a due volte l’energia dell’Eccitone meno quella del Bieccitone), dovremo trovare la funzione d’onda che soddisfa l’equazione di Schrödinger.
I conti sono gli stessi che si fanno per la molecole di idrogeno e danno come risultato la seguente funzione d’onda:

Immagine9

in cui l’ultimo termine è un termine di scambio (cioè la stessa cosa scambiando 1 con 2) e le ϕ indicano gli orbitali di Slater 1s.

Come si può vedere nel grafico il rapporto tra l’energia di legame e quella del singolo eccitone parte da un valore per poi scendere fino a tendere ad una costante per valori di σ>0,4.

Immagine10

Oltre a semplici modelli però, sono presenti molti risultati sperimentali, infatti i fenomeni di interazione eccitone/eccitone non sono però visibili in tutti i materiali e le strutture.

Per osservarli sperimentalmente esistono tre possibilità:
1.Eccitazione da una banda eccitonica ad una bieccitonica (esperimento pump-probe).
2.Far assorbire due fotoni per passare dallo stato fondamentale allo stato di Bieccitone.
3.Tramite luminescenza da uno stato di Bieccitone fino a formare due Eccitoni in sistemi ad alta densità.

In particolare vengono studiare i Bieccitoni in CNTs e QDs.

La struttura di un nanotubo di carbonio (di cui abbiamo già parlato) può essere immaginata come un grafene arrotolato lungo un determinato asse. I nanotubi di carbonio inoltre possono essere classificati sia per il modo di arrotolamento (chiralità) sia in SWCNTs (CNTs a parete singola) o in MWCNTs (CNTs a parete multipla), in cui più CNTs sono posti in strutture concentriche.
Immagine12

Misurando l’energia di legame si può notare un andamento inversamente proporzionale al raggio del nanotubo stesso, come si vede in figura.

Immagine14

Un Quantum Dot (punto quantico) invece è una nanostruttura formata da un’inclusione di un materiale semiconduttore con una certa banda proibita e con dimensioni comparabili con la lunghezza d’onda di De Broglie, all’interno di un altro semiconduttore con una gap maggiore. Questa struttura genera un pozzo di potenziale tridimensionale che confina elettroni e lacune.
In questo modo anche gli Eccitoni risultano confinati nelle tre dimensioni spaziali.
Nei QDs, proprio per questo motivo, sono stati osservati sia i tempi di vita che le energie di legame, soprattutto in QDs di CuCl e di CdSe/ZnSe.

Immagine16

Come si può vedere i tempi di vita caratteristici dei Bieccitoni nei QDs sono di circa 310 ps, che sono molto più alti di quelli nei semiconduttori.

In conclusione,  abbiamo visto che i Bieccitoni sono delle quasiparticelle di tipo bosonico che si osservano in presenza di accoppiamento Eccitone/Eccitone e che hanno tempi di vita nell’ordine di 10-12 secondi.
Possono essere valutati con modelli teorici e studiati per via sperimentale.
Per quel che riguarda i modelli teorici, la trattazione è simile a quella di un atomo di idrogeno.
Per quanto riguarda invece la parte sperimentale, si prendono in considerazione (per ora) soprattutto sistemi di semplice e limitata geometria, come i nanotubi di carbonio ed i quantum dots.

Saluti,

MMarans.

Come costruire una macchina della verità in casa.

Finalmente ho avuto tempo… e ho costruito una Macchina della Verità!!!

Eh si… erano giorni che volevo dedicarmi a questo progettino, e questo pomeriggio ho trovato il tempo necessario all’esperimento.
Ovviamente non vi immaginate una tecnologia stile FBI o roba simile… è una semplice macchinetta elettronica dal funzionamento semplice, che può essere acquistata con pochi euro su Nuova Elettronica, una famosa rivista di elettronica.
Se poi sarete interessati la potrete comprare direttamente sul loro sito e montarla con le mie semplici istruzioni.

Innanzitutto cerchiamo di capire come funziona una macchina della verità.
Dai primi anni del 1900 psicologi, scienziati e criminologi si sono sempre domandati se esistesse una relazione certa tra comportamenti fisiologici e il mentire.
Proprio in quegli anni, precisamente nel 1913, uno studente di psicologia di Harvard, studio ed utilizzò per primo una vera e propria macchina della verità.

Per vedere però se una persona stia mentendo si utilizzano diversi metodi, principalmente la misura della pulsazione cardiaca, del ritmo respiratorio e/o cardiaco, la variazione del fondo vocale, la dilatazione pupillare e la sudorazione.
La “nostra” macchina della verità misura proprio quest’ultima caratteristica di chi mente.
Infatti, soprattutto in alcune zone, come per esempio le mani ed ancora più in particolare le dita, la sudorazione è direttamente correlata ad una situazione di stress, che può essere indotta proprio mentre si cerca di mascherare una menzogna.
Infatti ciò che andremo a misurare è la variazione della resistenza della pelle, ma non lo faremo mediante una misura diretta, ma sfruttando la frequenza di oscillazione di un sistema di sei LED, che faremo variare in funzione della resistenza della pelle (e quindi della sudorazione).

Andiamo con ordine.
Analizziamo innanzitutto uno schema del circuito, che trovate qui in basso.

Immagine

Ok… lo so che visto così può sembrare qualsiasi cosa… ma cercherò di farvelo capire per completezza.
In pratica con DL# si intende Diodo LED (cioè quelle lampadine rosse molto piccole che sono sicuro conoscete).
Con DS# invece si intendono i Diodi al Silicio, che sono degli strumenti che servono come “interruttori” nel nostro caso.
Gli altri componenti, cioè R# (Resistenze) e C# (Capacitori), ci servono per motivi “elettronici” che preferisco non approfondire per non essere palloso.
Ora vi sarà rimasto il dubbio sulle due “scatoline” nere disegnate.
Quella senza scritta serve per pilotare (cioè accendere) un LED, mentre quella con scritto IC2 altro non è che un piccolo chip in grado di far variare la vostra entrata in modo alternato.
In questo modo accenderete prima il LED 1, poi il 2, poi il 3… e così via.

La frequenza con la quale si accendono questi LED è determinata da una legge, che vi riporto qui sotto:

Immagine

Come potete vedere quindi la resistenza della pelle (e quindi la sudorazione), messa a contatto con la resistenza R2, farà variare la frequenza di accensione dei LED.

Vediamo ora i diversi componenti, iniziando proprio con la PCB (cioè la schedina su cui si montano i componenti).

PCB Front

PCB Back

PCB Back

Come vedete si trova scritto il nome di ogni componente sulla parte frontale, e le piste sul dietro.
Si può notare inoltre la zona con scritto “Test” in cui dovrà essere appoggiato il dito per l’analisi.

Di seguito riporto anche i componenti elettronici che si trovano nel KIT, oltre a delle piazzole e il cavo d’alimentazione per una batteria da 9V.

Immagine

Prima di cominciare con il montaggio il mio consiglio è quello di avere ben a mente (e soprattutto davanti agli occhi) un disegno come questo, in modo da avere la situazione il più possibile sotto controllo.

Immagine1

Come vedete bisogna stare attenti in fase di montaggio sia ai diodi (sia LED che al silicio), ma soprattutto ai Circuiti Integrati, che vanno montati seguendo la “mezza luna” che si trova su essi.
Inoltre non bisogna mai scordarsi di montare con il verso giusto il condensatore elettrolitico, al fine di evitare spiacevoli esplosioni di acido!

Come strumenti vi consiglio:

  • Un saldatore (meglio con la base per evitare spiacevoli scottature).
  • Del filo per stagnare. Mi raccomando non usate quello al piombo…. che potreste avere in casa: è potenzialmente cancerogeno. Ricompratelo!
  • Un paio di tronchesi per tagliare
  • Delle pinzette per tenere i piedini da tagliare. Ve lo dico perchè me ne è schizzato uno sull’occhiale.
  • Un pennellino per eliminare i residui

Per montare la macchina della verità cominciate con i componenti più piatti (cioè i diodi al silicio), infilando i piedini negli appositi buchi.
Piegando gli stessi piedini li terrete fermi. Dopo girate il PCB e cominciate a saldate con lo stagno.

Fase di saldatura

Fase di saldatura

Una volta finito di saldare cominciate a tirar su i piedini e tagliarli, tenendoli con la pinzetta per evitare spiacevoli inconvenienti.

Fase di rifinitura

Fase di rifinitura

Una volta finito di tagliare date una pulita con il pennelli e passate via via ai componenti più “alti”.

Fase di pulizia

Fase di pulizia

Una volta montati tutti i componenti collegate anche i fili di alimentazione e avrete una perfetta macchina della verità.
Una volta collegata la batteria da nove volt potrete osservare che comincerà subito ad illuminarsi. Il mio consiglio è di aggiungere un interruttorino, che trovate in un qualsiasi negozio di elettronica a pochi centesimi.

Risultato Finale!

Risultato Finale!

Ora la fase più importante.. il test.

Cominciate con asciugarvi il dito e toccate la piazzola. Essendo la vostra resistenza troppo grande rispetto a R2 non noterete variazione di frequenza di oscillazione.
Provate però a bagnarvi il dito (o ad essere stressati) e vedrete una notevole variazione di illuminazione.
Ho fatto un piccolo filmato in cui prima tocco la piazzola con il dito asciutto e poi sudato (in realtà “insalivato”, ma è lo stesso).
Ecco a voi.

L’articolo è finito, e spero vivamente vi sia piaciuto.
Ovviamente ci tengo a sottolineare che le moderne macchine della verità sono molto più complesse. Questo è solo un giochino, ma molto istruttivo!

Saluti,

MMarans.

La TV a LED: che miglioramenti ci sono rispetto alle TV LCD?

Mi vorrei scusare pubblicamente con i (pochi e coraggiosi) lettori di questo blog per il tempo in cui non ho pubblicato… in effetti è stato troppo. Ma se tutto andrà come sperato avrete nuove notizie a breve… prometto che spiegherò a tutti il perché di questa assenza.
Colgo l’occasione inoltre per esortarvi a segnarvi sulla pagina FB di SempliceMenteScienza!
In fondo… un piccolo “mi piace” vi porterà ad avere sempre le ultime notizie aggiornate.

Ma ora passiamo all’articolo vero e proprio… un articolo che parlerà dei televisori a LED!
E’ solo una trovata commerciale o l’introduzione della tecnologia LED porta dei vantaggi reali nell’acquisto di una televisione?
Come al solito cominciamo l’articolo con un piccolo preambolo personale…

TV LED

Più che un vero e proprio ricercatore di base, mi sono sempre sentito più “scienziato a tutto tondo”.
Non sono mai stato un vero appassionato di scienza di base, anche se appoggio chi compie la scelta di andare al confine della conoscenza umana per scoprire l’impensabile.
Mi sono sempre sentito più uno scienziato inventore, un esperto di tecnologia, in ogni campo esistente. O almeno ci provo.
La mia passione non è la Scienza in se e per se… ma come questa si possa applicare alla vita di tutti i giorni.
Da qui nasce il mio interesse verso campi a cui si interessano pochi scienziati come la domotica e i campi affini.
In particolare, anche grazie ad un corso tenuto da un famoso professore della mia Università, Thomas Brown, mi sono appassionato alla tecnologia dei televisori.
Proprio durante quel periodo fu introdotta nei dispositivi comuni la tecnologia a retroilluminazione LED, di cui oggi cercherò di parlare nel modo più semplice possibile.

Intanto cominciamo spiegando cosa è un LED, perchè non è una lampadina colorata come si potrebbe immaginare, anche se può sembrarlo a prima vista.
LED è un acronimo che sta per Light Emitting Diode (Diodo ad emissione di luce) ed è (cito da Wikipedia) “un dispositivo optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni attraverso il fenomeno dell’emissione spontanea ovvero a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Il primo è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr”.

Vari LED di diversi colori

Vari LED di diversi colori

Come funziona un LED?
Abbiamo già visto in altri articoli come funziona un atomo, e che ruolo hanno gli elettroni nella struttura della materia. Quando non si parla più di un atomo, ma di un materiale macroscopico, la struttura di complica, e si formano due zone (in termini di energia) in cui possono trovarsi gli elettroni: banda di valenza e banda di conduzione.
Il cosiddetto “Livello di Fermi” indica in questo caso la massima energia che può avere un elettrone in stato di riposo (l’Energia di Fermi).
La differenza energetica tra le due bande indica il tipo di materiale di cui stiamo parlando:

  • I materiali isolanti hanno le due bande distinte e molto distanti in termini di energia, con tutti gli elettroni in banda di valenza.
  • Nei metalli le due bande sono contigue e gli elettroni stanno anche nella banda di conduzione, e per questo è permesso il passaggio di corrente elettrica.
  • Nei semiconduttori le due bande sono distanti poco, e dando energia al sistema (o creando uno “scalino” tramite il drogaggio, argomento già trattato nell’articolo sui pannelli solari) si possono mandare elettroni in banda di condizione.
Banda di valenza e conduzione dei diversi tipi di materiali

Banda di valenza e conduzione per i diversi tipi di materiali

Quando si crea una giunzione p-n come nel caso di un pannello solare, per esempio, bisogna tener conto di queste bande.
Un LED non è altro che una sottilissima giunzione p-n a semiconduttore: quando viene data corrente, gli elettroni e le lacune di cui è formata la giunzione in banda di conduzione e di valenza rispettivamente, si ricombinano.
Questo avviene con il rilascio di un fotone (cioè di luce), che avrà energia pari alla differenza tra le bande. Essendo l’energia di un fotone legata direttamente alla sua lunghezza d’onda avremo fotoni uscenti dal diodo ad un preciso colore, che corrisponderà al colore del diodo.
Per aiutare questo procedimento si tende, solitamente, a colorare l’involucro plastico del LED per due motivi:

  1. Si aumenta la colorazione del LED stesso.
  2. Spesso si usa nei processi fabbricativi solo la produzione di LED bianchi, che creeranno luce colorata una volta filtrata dalla plastica esterna.

I LED sono usati principalmente per le loro ridottissime dimensioni, per il basso consumo, la notevole durata e l’efficienza elevata (rispetto alle altre lampadine).

Passiamo ora a capire come si possa usare un LED nella tecnologia di un televisore.
Per farla breve, un televisore LCD non è altro che un sistema di filtri regolati da una specie di processore in grado di tapparsi o aprirsi al passaggio di luce.
Ogni Pixel (cioè ogni quadratino di cui è composta l’immagine) è quindi composto al suo interno da tre sotto-pixel (4 nel caso delle TV Sharp Quattron).
Variando il comportamento dei sotto-pixel si regola il colore del pixel e quindi l’immagine che si andrà a formare.
Si può capire facilmente vedendo l’esempio sottostante.

Formazione dei colori nel TV LCD

Formazione dei colori nel TV LCD

Per l’illuminazione dei TV LCD si è sempre usata una lampadina tradizionale, fino all’arrivo delle TV a retroilluminazione LED.
Bisogna fare attenzione ad una cosa: le TV LED non hanno i pixel a LED, ma solo la retroilluminazione.
Esistono TV con direttamente LED colorati, e si chiamano TV OLED (magari in futuro farò un articolo anche su questo).
Quindi non lasciatevi ingannare dalle apparenze… le TV LED sono a tutti gli effetti TV LCD!!!
Durante gli anni di studio si sono sviluppate, in parallelo, due tipi di retroilluminazione: la prima (in ordine cronologico) sviluppata da Samsung, e l’ultima da Sharp: sono, rispettivamente la tecnologia LED Edge e Full.
Sono semplicemente due modi di intendere la retroilluminazione.
Nei TV Edge LED i led sono disposti lungo la cornice, mentre nei Full LED formano un tappeto di piccole lucine.
Mi sembra ovvio e scontato dire che i TV Full LED sono di gran lunga i migliori, sia in termini di contrasto che di luminosità: basta vedere la differenza tra uno schermo Sharp e Samsung (a parità di caratteristiche) per rendersene conto!

Edge LED e Full Led

Edge LED e Full Led

Ricapitolando, in TV LED presentano rispetto ai TV LCD classici un minor consumo e una migliore visione e longevità. In particolare i TV Full LED (solitamente prodotti da Sharp) possiedono un livello di contrasto ed illuminazione superiore agli altri (Edge LED).
Non bisogna però farsi ingannare dal nome: i TV LED sono a tutti gli effetti televisori LCD. Esistono anche ora TV composti solo da LED (chiamati OLED), ma sono cari ed esiste solo un televisore di dimensioni notevoli, che ha un prezzo esagerato (intorno a 9000€ per un 55″).
Bisognerà aspettare un paio d’anni ancora per avere i TV OLED a prezzi competitivi. Comunque non preoccupatevi… farò un articolo a breve su questi nuovi e straordinari televisori.

Con questo si conclude l’articolo sui televisori LED.
Personalmente ho uno Sharp Full LED e non lo scambierei con un Samsung o un Sony. Ovviamente qui abbiamo parlato esclusivamente dello schermo, in quanto a materiali e costruzione Sony è imbattibile, così come Samsung lo è in termini di Smart TV, cioè di TV con integrate diverse funzionalità tecnologiche innovative per il prodotto.

Vorrei fare un ringraziamento speciale all’Università di Napoli Federico II ed in particolare ai gestori della pagina “Scienza e Scuola” per aver messo questo blog nelle pagine didattiche italiane. E’ stato un momento quasi di commozione vedere il mio blog tra le pagine consigliate. Grazie ancora.

Spero che sia stato di vostro gradimento l’articolo. Cercherò di riprendere la frequenza di pubblicazione che avevo all’inizio dell’avventura.
Vi ricordo solo che per domande o altro potete lasciare un commento qui sotto o in alternativa contattarmi su Facebook alla pagina di SempliceMenteScienza, pagina a cui vi consiglio di segnarvi per seguire tutti i miei nuovi articoli.

Saluti,

MMarans.

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