Creación de experiencias virtuales en física nuclear

El estudio de la radiactividad y su influencia en los seres vivos es un tema fundamental para la formación de los alumnos de los grados en Biología y Ciencias del Mar, y por lo tanto aparece incluido en el plan de estudios de la asignatura de Física de las dos carreras anteriormente mencionadas. A pesar de esto, dicha signatura no cuenta con ninguna práctica de laboratorio en el tema de radiactividad. Esto es debido, principalmente, al alto coste de los equipos y a cuestiones de seguridad. Con el objetivo de solventar este problema en la formación de los alumnos de Física hemos programado, usando el lenguaje JAVA, dos prácticas de laboratorio virtuales en el área de radiactividad. En una de las experiencias, el alumno mide la evolución de la actividad de una muestra radiactiva con el tiempo y a partir de esto podrá obtener la vida media del isótopo radiactivo estudiado, calcular la cantidad de isótopo que queda en la muestra al transcurrir un cierto tiempo, o evaluar el tiempo necesario que debe de transcurrir para que quede un cierto porcentaje del material radiactivo inicial. En la otra experiencia la medición de la actividad y la masa de una muestra dada de carbono de origen biológico, permitirá establecer la edad de la muestra usando el método del 14C. En ambas prácticas el alumno utiliza el instrumental virtual tal y como si estuviera en un laboratorio real con el instrumental adecuado. La interactividad de la práctica y la posibilidad de realizarla fuera de la universidad, a través de internet, hacen de los experimentos virtuales diseñados un excelente complemento a las prácticas tradicionales de laboratorio.

Inelastic electron tunneling spectroscopy of a single nuclear spin

Detection of a single nuclear spin constitutes an outstanding problem in different fields of physics such as quantum computing or magnetic imaging. Here we show that the energy levels of a single nuclear spin can be measured by means of inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS). We consider two different systems, a magnetic adatom probed with scanning tunneling microscopy and a single Bi dopant in a silicon nanotransistor. We find that the hyperfine coupling opens new transport channels which can be resolved at experimentally accessible temperatures. Our simulations evince that IETS yields information about the occupations of the nuclear spin states, paving the way towards transport-detected single nuclear spin resonance.

Probing a single nuclear spin in a silicon single electron transistor

We study single electron transport across a single Bi dopant in a silicon nanotransistor to assess how the strong hyperfine coupling with the Bi nuclear spin I = 9/2 affects the transport characteristics of the device. In the sequential tunneling regime we find that at, temperatures in the range of 100 mK, dI/dV curves reflect the zero field hyperfine splitting as well as its evolution under an applied magnetic field. Our non-equilibrium quantum simulations show that nuclear spins can be partially polarized parallel or antiparallel to the electronic spin just tuning the applied bias.