La controversia sobre la estructura de bandas electrónicas del germanio

La estructura de bandas de los electrones alemanes

• Resumen: Es falso afirmar que la resistividad de los electrones alemanes cambia exponencialmente con la temperatura. Mediante modelado teórico y experimentos, se descubrió que el equipo y la documentación relacionada eran deficientes.

Introducción

• Los electrones alemanes están atrapados en bandas de energía bien definidas, y entre estas bandas existe una "región prohibida" sin portadores de carga. Cuando la temperatura aumenta, los electrones se mueven de una banda de energía no conductora a una banda conductora, provocando cambios en la resistividad. Esta relación se manifiesta de forma exponencial en cierto rango de temperaturas.

Procedimiento experimental

• Se eligió el cristal alemán menos dañado y se soldaron cables al cristal. La soldadura fue muy difícil, y el equipo del laboratorio no funcionaba correctamente. Al final, se trajo y usó mejor equipo desde otro laboratorio. Para controlar la temperatura, se fijó el cristal a una barra de cobre; un extremo de la barra se conectó a una bobina calefactora y el otro se sumergió en un termo con nitrógeno líquido. A mitad del experimento, el termo empezó a gotear.

Resultados

• Estos son datos recopilados personalmente durante 2 semanas. No se pudo encontrar una dependencia exponencial en los datos. Se trazó una curva exponencial sobre los datos y se usó un programa de computadora complejo para mejorar el ajuste.

Conclusión

• Haber estudiado física fue el mayor error de mi vida. Debí haber estudiado ciencias de la computación.

[GN⁺]

Opiniones en Hacker News

• Uno de los recuerdos más fuertes que me quedaron de la educación científica fue el experimento para medir la aceleración de la gravedad en la clase de física de secundaria.
  Consistía en hacer rodar una pelota desde un pupitre del salón, dejarla caer, iniciar el cronómetro de un reloj de pulsera de los años 90 en el momento en que la pelota caía y detenerlo cuando tocaba el piso; con botones de ese tipo de reloj era difícil esperar una precisión por debajo del segundo.
  Como era de esperarse, los datos eran un desastre y, si se ponían bien las barras de error, podían incluir hasta 0 o valores negativos, pero el cálculo dio algo como 6.8m/s^2; lo entregué así y me reprobaron.
  Al final, desde la primaria uno aprende que no te evalúan por “si reportaste honestamente lo que observaste haciendo tu mejor esfuerzo”, sino por si obtuviste el resultado que quería quien calificaba, y creo que esa estructura no desaparece fácilmente, ni siquiera al llegar a puestos docentes universitarios.
  Claro que también hay excelentes docentes que valoran mucho una respuesta honesta aunque sea incorrecta, pero siento que otra cosa es cuánto aguanta ese idealismo en los años posteriores.

  • En Electronics I de la universidad me pasó casi lo mismo.
    La estructura era que había que terminar un experimento para pasar al siguiente, y si no aprobabas el experimento reprobabas la materia sin importar tu calificación.
    En el segundo o tercer experimento había que medir la respuesta de un transistor en paquete DIP-8 que nos habían dado, pero por más que lo intentaba no salía una salida lineal, y el asistente de laboratorio insistía en que tenía que ser un problema de cableado o del diagrama, no del equipo.
    Recién en la semana 8 de un curso de 10 semanas descubrimos que ese DIP no era un transistor, sino un temporizador 555 que se había mezclado por error; me dieron una pieza nueva, pero terminar en las 2 semanas restantes 8 semanas de experimentos era casi imposible.
    El profesor me recomendó dar de baja la materia y volver a cursarla, pero como eso afectaba mi calendario de graduación, al final recibí una C- por resultados de laboratorio horribles pero suficientes para pasar, y todos hicimos como si nada hubiera pasado.
  • En un examen de ciencias de secundaria escribí tal cual la definición del libro de texto, incluso con el número de página, y luego agregué, con material científico externo, por qué esa definición era incompleta.
    Como no alcanzaba el espacio de la respuesta, continué en el margen; el profesor primero la marcó como incorrecta, luego como correcta y luego otra vez como incorrecta, y en una reunión con mis padres admitió que la definición en sí era exacta, pero que por la explicación adicional se “enojó” y por eso la calificó como incorrecta.
  • La frase de que “así funciona la ciencia incluso hasta los puestos docentes” me recuerda el ensayo Cargo Cult Science de Feynman.
    Ahí aparece el caso de que, después del experimento de la gota de aceite de Millikan, las mediciones de la carga del electrón al principio se mantuvieron cerca del valor de Millikan y luego fueron subiendo poco a poco hasta el valor real, porque si a alguien le salía un valor demasiado grande respecto de Millikan pensaba que algo estaba mal y buscaba la causa, mientras que si le salía un valor cercano lo cuestionaba menos.
    Feynman decía que ya habíamos aprendido esos trucos y que esa enfermedad ya no existía, pero creo que es difícil estar 100% de acuerdo con esa última frase.
    https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
  • En una clase de ciencias de primaria me dieron un experimento en el que se podía idear un método propio en lugar de usar la solución propuesta; fui el único de la clase que diseñó su propio método, pero fracasé porque no tomé en cuenta las diferencias de entorno entre mi casa y el salón, y me reprobaron.
    Eso me quitó durante mucho tiempo el interés por la física y acabé enfocándome en biología hasta la universidad.
    El problema fue que la maestra no dejó claro que el criterio de evaluación no era el método experimental ni la precisión, sino solo la exactitud; mi método era preciso pero inexacto, mientras que el método estándar era exacto pero impreciso.
    Supongo que, como era mi primer año tras cambiarme de escuela, tampoco sabía que la cultura de esa escuela no evaluaba la creatividad de la forma a la que yo estaba acostumbrado.
  • Hay una historia de experimentos de la época estudiantil que me contó un profesor de física.
    Era un experimento para medir la constante adiabática de los gases del aire, pero en ese tiempo había tanta tarea que muchos estudiantes simplemente escribieron el reporte y entregaron el valor del libro de texto, y se los marcaron como incorrecto.
    Resultó que el asistente de laboratorio había puesto alcohol en el fondo de una botella medidora de vidrio oscuro para arruinar el experimento, así que, si realmente hacías el experimento, obtenías la constante del “aire con bastante vapor de alcohol mezclado”, un valor distinto al del libro de texto.
    Ese valor “incorrecto” era la única prueba de que el experimento se había hecho bien.

• Leí este texto cuando entré a la universidad en 1999, y me pareció fresco porque mostraba, desde la mirada de un estudiante, cómo era en la práctica la vida de pregrado en una institución mundialmente famosa.
  La última frase también resultó profética, y el autor finalmente se cambió a ciencias de la computación y hasta terminó un doctorado en University of Wisconsin at Madison.
  https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/

  • En LinkedIn aparece como Staff Software Engineer en Google: https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/
  • Lo leí por la misma época, y me reí hasta las lágrimas con amigos que habían declarado física como carrera y que en su mayoría se cambiaron a otra antes de graduarse.
    Fue lo más gracioso que leí por entonces, y me da gusto que parezca estar bien ahora.
  • Parece que ahora ya desapareció la página completa.

• Hace más de 20 años fui asistente de laboratorio en una clase de fabricación de semiconductores.
  Mi trabajo consistía sobre todo en infundirles a los estudiantes el terror de que nunca debían descuidarse al manipular HF, pero hacia el final también había un proceso en el que realmente se barría el voltaje para medir las características de un transistor.
  Claro, solo si habían fabricado un transistor; en algunos casos, en la práctica habían hecho una resistencia inútilmente complicada.
  Compartimos este texto entre los demás asistentes y nos pareció de verdad muy gracioso.

  • Mientras tanto, las mamás de Etsy están haciendo vasos de shot escarchados.

• La parte de “como se ajustó con un programa de computadora complejo, aumenta su legitimidad aparente. Tengo entendido que el quark top se descubrió mediante el mismo proceso” es graciosa, pero también más común de lo que uno pensaría.
  En mi campo, la física de la materia condensada ultrarrápida, también era frecuente justificar datos llenos de ruido con “ajuste de curvas”, y muchas veces no se mostraban los residuales ni pruebas de bondad de ajuste.

• Me esforcé bastante por cambiar mi interés de investigación de visión por computadora a los cálculos DFT de química cuántica, pero ahora me frustra que haya demasiado trabajo no público en este campo.
  Los papers parecen contarte todo menos cómo reproducirlos con el mínimo esfuerzo, así que da la impresión de que esconden algo.
  Muchas veces los gráficos se hacen con Origin y los papers se escriben en MS Word; como ninguno tiene licencia libre, eso dificulta aún más la colaboración y la reproducibilidad.

  • Sí, de verdad están escondiendo cosas.
    Trabajé en un campo cercano y todos lo hacían abiertamente; como competían por financiamiento, les preocupaba que, si revelaban sus trucos, otro grupo pudiera adelantarse más rápido.
    Es fácil escribir que hiciste cálculos DFT, pero cualquiera que haya hecho este tipo de simulaciones o cálculos sabe que la implementación es muy delicada y requiere mucho código y mañas numéricas.
    Sin acceso detallado al algoritmo, creo que es extremadamente difícil reproducirlo.
  • Alguna vez escribí código para unir el código de otras personas con el fin de completar un pipeline de simulación de dinámica molecular no adiabática.
    También me encargaron la documentación para enseñárselo a la gente del laboratorio, pero me indicaron que no la publicara porque otro grupo podría tomar ese método y avanzar más rápido con más dinero y recursos de cómputo.
  • Este problema también me dio vueltas durante un tiempo.
    Es más bien un problema cultural y, en mi experiencia, cuanto más antiguo era el grupo de investigación, menos probable era que publicara su software de investigación.
    En el lado de las simulaciones basadas en deep learning, netket es un buen ejemplo de software abierto, y ese investigador también es bastante activo en los ecosistemas de GitHub/GitLab/Hugging Face.
  • Extraño OriginPro, que usaba en la universidad con una licencia del campus, y desde que pasé la visualización de datos a matplotlib me he sentido especialmente decepcionado al crear figuras con calidad de publicación.
    Incluso hace poco intenté hacer un gráfico con eje x interrumpido, una necesidad básica en las ciencias físicas, y en matplotlib requirió bastante hackeo.
    Si la herramienta es open source o no me da exactamente igual, siempre que la ciencia salga bien.
    Ya es bastante agotador lidiar con las muestras; quiero minimizar el estrés en el software para hacer gráficos.

• Hace falta un sentido bastante particular para tomar este texto corto no como ficción, sino como verdad y como una broma aguda sobre la física en general.

  • Hay más bromas parecidas en https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html y en https://pages.cs.wisc.edu/~kovar en general.
  • No entiendo por qué sería una broma dirigida contra la física.
    Es honesto y hermoso, y la experiencia en la frontera experimental seguramente se siente exactamente así.
    Es fácil reproducir descubrimientos antiguos con equipos modernos, pero hay que imaginar cómo habrá sido para quienes descubrieron por primera vez esta propiedad del germanio.
    Las herramientas y las sondas no pueden avanzar mucho más rápido que la comprensión de los campos relacionados, y seguimos usando el conocimiento científico de punta para inventar e improvisar herramientas.
  • Como físico en la industria, me reí al leerlo, y en realidad no es ficción.
    Inevitablemente pasas por épocas así.
    En las últimas semanas he estado peleándome con un experimento de mal carácter: da resultados reproducibles, pero no tienen sentido, y tampoco es un área donde uno pueda descubrir nueva física por casualidad.
  • Lo entendí y me pareció divertido, pero no soy especial.
  • Con haber leído suficiente HN y XKCD me alcanzó para disfrutarlo.

• Dato curioso: al final se pasó a ciencias de la computación.
  Según su CV, obtuvo un doctorado en ciencias de la computación en University of Wisconsin, Madison en noviembre de 2004, una maestría en mayo de 2001 y una licenciatura en física en Stanford University en junio de 1999.
  https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
  Después trabajó 5 años en IL&M y parece que lleva 14 años en Google.
  Al final sí terminó ganando mucho dinero: https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/

• Este texto parece ser del año 2000.
  Al menos está en Wayback Machine en https://web.archive.org/web/20001031193257/http://www.cs.wisc.edu/~kovar/hall.html

  • https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
    Al final obtuvo un doctorado en ciencias de la computación y ahora, según LinkedIn, parece ser Staff SWE en Google.
    Parece que al final sí terminó sentado sobre una pila de dinero.
  • Es muy probable que la fecha real de escritura haya sido antes de junio de 1999.
    Porque el autor recibió entonces su licenciatura en física en Stanford: https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
    Me intriga la historia detrás de este texto.
    Me pregunto qué calificación obtuvo, o si lo escribió como desahogo personal después de haberse apartado por completo de la clase y lo subió a una página web; también me pregunto si este proyecto fue realmente el factor decisivo que lo hizo pasarse a ciencias de la computación.
    https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html

• No es importante, pero la página tenía un valor de Last-Modified bastante impresionante en los headers HTTP.
  Sun, 26 May 2002 22:33:04 GMT
  La estructura del código HTML también encaja perfectamente con esa época.

  • Parece que ya no.

• El texto es divertido, pero alguien tiene que decirlo:
  La estructura de bandas y la teoría de sólidos son uno de los campos más hermosos de la física, y el hecho de que hayan transformado por completo la sociedad que conocemos es, en realidad, secundario :)