Мезоскопическая физика
| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
Мезоскопическая физика — раздел физики конденсированного состояния , изучающий материалы промежуточного размера. Размер этих материалов варьируется от наномасштаба для количества атомов (например, молекулы ) до материалов размером в микрометры . [ 1 ] Нижний предел также можно определить как размер отдельных атомов. В микроскопическом масштабе это сыпучие материалы. И мезоскопические, и макроскопические объекты содержат много атомов. В то время как средние свойства, полученные из составляющих материалов, описывают макроскопические объекты, поскольку они обычно подчиняются законам классической механики , мезоскопический объект, напротив, подвержен влиянию тепловых флуктуаций вокруг среднего, и его электронное поведение может потребовать моделирования на уровне квантовой механики. . [ 2 ] [ 3 ]
Макроскопическое электронное устройство, уменьшенное до мезоразмера, начинает проявлять квантово-механические свойства. Например, на макроскопическом уровне проводимость провода постоянно увеличивается с увеличением его диаметра. Однако на мезоскопическом уровне проводимость провода квантуется : увеличение происходит дискретными или отдельными целыми шагами. В ходе исследований мезоскопические устройства конструируются, измеряются и наблюдаются и теоретически , чтобы углубить понимание физики изоляторов экспериментально , полупроводников , металлов и сверхпроводников . Прикладная наука мезоскопической физики занимается потенциалом создания наноустройств.
Мезоскопическая физика также решает фундаментальные практические проблемы, которые возникают при миниатюризации макроскопического объекта, например, при миниатюризации транзисторов в полупроводниковой электронике. Механические, химические и электронные свойства материалов изменяются по мере того, как их размер приближается к наномасштабу, когда процент атомов на поверхности материала становится значительным. Для сыпучих материалов размером более одного микрометра процент атомов на поверхности незначителен по сравнению с количеством атомов во всем материале. Поддисциплина занимается в первую очередь искусственными структурами из металла или полупроводникового материала, изготовленными с использованием технологий, используемых для изготовления микроэлектронных схем. [ 2 ] [ 3 ]
Не существует жесткого определения мезоскопической физики , но изучаемые системы обычно находятся в диапазоне от 100 нм (размер типичного вируса ) до 1000 нм (размер типичной бактерии): 100 нанометров — это приблизительный верхний предел для мезоскопической физики. наночастица . Таким образом, мезоскопическая физика тесно связана с областями нанопроизводства и нанотехнологий . Устройства, используемые в нанотехнологиях, являются примерами мезоскопических систем. Тремя категориями новых электронных явлений в таких системах являются эффекты интерференции, эффекты квантового ограничения и эффекты зарядки. [ 2 ] [ 3 ]
Эффекты квантового ограничения
[ редактировать ]Эффекты квантового ограничения описывают электроны с точки зрения энергетических уровней, потенциальных ям , валентных зон , зон проводимости и энергетических запрещенных зон электронов .
Электроны в объемных диэлектрических материалах (размером более 10 нм) можно описать энергетическими зонами или уровнями энергии электронов. Электроны существуют на разных энергетических уровнях или зонах. В объемных материалах эти уровни энергии описываются как непрерывные, поскольку разница в энергии незначительна. Поскольку электроны стабилизируются на различных энергетических уровнях, большинство из них колеблются в валентных зонах ниже запрещенного уровня энергии, называемого запрещенной зоной . Эта область представляет собой область энергий, в которой не существует электронных состояний. Меньшее количество имеет энергетические уровни выше запрещенной зоны, и это зона проводимости.
Эффект квантового ограничения можно наблюдать, если диаметр частицы равен длине волны электрона волновой функции . [ 4 ] Когда материалы настолько малы, их электронные и оптические свойства существенно отличаются от свойств объемных материалов. [ 5 ] По мере того как материал миниатюризируется до наномасштаба, ограничивающий размер естественным образом уменьшается. Характеристики больше не усреднены по объему и, следовательно, непрерывны, а находятся на уровне квантов и, следовательно, дискретны. Другими словами, энергетический спектр становится дискретным, измеряемым как кванты, а не непрерывным, как в объемных материалах. В результате запрещённая зона утверждает себя: существует небольшое и конечное расстояние между уровнями энергии. Такая ситуация с дискретными уровнями энергии называется квантовым ограничением .
Кроме того, эффекты квантового ограничения состоят из изолированных островков электронов, которые могут образовываться на структурированной границе раздела между двумя различными полупроводниковыми материалами. Электроны обычно ограничены дискообразными областями, называемыми квантовыми точками . Удержание электронов в этих системах существенно меняет их взаимодействие с электромагнитным излучением, как отмечалось выше. [ 6 ] [ 7 ]
Поскольку уровни энергии электронов в квантовых точках дискретны, а не непрерывны, добавление или вычитание всего лишь нескольких атомов из квантовой точки приводит к изменению границ запрещенной зоны. Изменение геометрии поверхности квантовой точки также меняет энергию запрещенной зоны, опять же из-за малого размера точки и эффектов квантового ограничения. [ 6 ]
Эффекты помех
[ редактировать ]В мезоскопическом режиме рассеяние на дефектах, таких как примеси, вызывает интерференционные эффекты, которые модулируют поток электронов. Экспериментальным признаком мезоскопических интерференционных эффектов является появление воспроизводимых флуктуаций физических величин. Например, проводимость данного образца колеблется по-видимому случайным образом в зависимости от флуктуаций экспериментальных параметров. Однако ту же картину можно проследить, если экспериментальные параметры вернутся к исходным значениям; на самом деле наблюдаемые закономерности воспроизводятся в течение нескольких дней. Они известны как универсальные флуктуации проводимости .
Мезоскопическая динамика с временным разрешением
[ редактировать ]Эксперименты с временным разрешением в мезоскопической динамике: наблюдение и изучение на наномасштабах динамики конденсированной фазы , такой как образование трещин в твердых телах, разделение фаз и быстрые колебания в жидком состоянии или в биологически значимых средах; а также наблюдение и изучение на наномасштабе сверхбыстрой динамики некристаллических материалов. [ 8 ] [ 9 ]
Связанный
[ редактировать ]- Нанокольца Ааронова-Бома - Электромагнитный квантово-механический эффект в областях нулевого магнитного и электрического полей.
- Разветвленное течение – явление рассеяния в волновой динамике.
- Баллистическая проводимость - движение носителей заряда с незначительным рассеянием.
- Кулоновская блокада - повышенное сопротивление при небольших напряжениях смещения электронного устройства, содержащего хотя бы один туннельный переход с низкой емкостью.
- Наноматериалы - материалы, размер гранул которых составляет от 1 до 100 нм.
- Нанофизика – искусственное или биологическое устройство молекулярного масштаба.
- Нанотехнология - область науки, включающая управление материей на атомном и (супра) молекулярном уровнях.
- Постоянный ток – постоянный электрический ток, не требующий внешних источников питания.
- Квантовый хаос - раздел физики, стремящийся объяснить хаотические динамические системы с точки зрения квантовой теории.
- Квантовый эффект Холла - Электромагнитный эффект в физике
- Квантовый провод - электропроводящий провод, в котором квантовые эффекты влияют на транспортные свойства.
- Случайная матрица - случайная величина с матричным значением.
- Полуклассическая физика - использование как классической, так и квантовой физики для анализа системы.
- Спин-орбитальное взаимодействие - релятивистское взаимодействие в квантовой физике.
- Слабая локализация – квантово-физическое явление.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мюллер, М.; Кацов, К.; Шик, М. (ноябрь 2006 г.). «Биологические и синтетические мембраны: что можно узнать из общего описания?» . Отчеты по физике . 434 (5–6): 113–176. arXiv : cond-mat/0609295 . Бибкод : 2006ФР...434..113М . doi : 10.1016/j.physrep.2006.08.003 . ISSN 0370-1573 . S2CID 16012275 .
- ^ Jump up to: а б с «Научно-технический словарь». Словарь научно-технических терминов Макгроу-Хилла . McGraw-Hill Companies, Inc. , 2003 г.
- ^ Jump up to: а б с «Мезоскопическая физика». Энциклопедия науки и технологий МакГроу-Хилла. The McGraw-Hill Companies, Inc., 2005. Answers.com, 25 января 2010 г. http://www.answers.com/topic/mesosthetic-physical-1.
- ^ Кахай, М. (2001). Квантовое ограничение VI: наноструктурированные материалы и устройства: материалы международного симпозиума . Кэхай, М., Электрохимическое общество. Пеннингтон, Нью-Джерси: Электрохимическое общество. ISBN 978-1566773522 . OCLC 49051457 .
- ^ Хартмут, Хауг; Кох, Стефан В. (1994). Квантовая теория оптических и электронных свойств полупроводников (3-е изд.). Сингапур: World Scientific. ISBN 978-9810220020 . OCLC 32264947 .
- ^ Jump up to: а б Квантовые точки. Архивировано 1 февраля 2010 г. в Wayback Machine . 2008 г. Evident Technologies, Inc.
- ^ Санчес Д., Бюттикер М. (2004). «Асимметрия магнитного поля нелинейного мезоскопического транспорта». Физ. Преподобный Летт . 93 (10): 106802. arXiv : cond-mat/0404387 . Бибкод : 2004PhRvL..93j6802S . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.106802 . ПМИД 15447435 . S2CID 11686506 .
- ^ Барти, Антон; и др. (22 июня 2008 г.). «Сверхбыстрая однократная дифракционная визуализация наноразмерной динамики». Природная фотоника . 2 (7): 415–419 (2008). CiteSeerX 10.1.1.712.8451 . дои : 10.1038/nphoton.2008.128 .
- ^ «Исследование позволяет получать изображения в сверхбыстрые сроки» . Наука онлайн. Факты в файле, Inc. Юнайтед Пресс Интернешнл. 25 июня 2008 г. п. 01. Архивировано из оригинала (исследование опубликовано в онлайн-издании журнала Nature Photonics) 27 ноября 2020 г. Проверено 25 января 2010 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бенаккер, Карло (1995). «Хаос в квантовом бильярде» (PDF) . Лейденский университет . Проверено 14 июня 2018 г.
- Харманс, К. (2003). «Мезоскопическая физика: введение» (PDF) . OpenCourseWare ТУ Делфт . Проверено 14 июня 2018 г.
- Жалаберт, Родольфо А. (2016). «Мезоскопический транспорт и квантовый хаос» . Схоларпедия . 11 (1): 30946. arXiv : 1601.02237 . Бибкод : 2016SchpJ..1130946J . doi : 10.4249/scholarpedia.30946 . S2CID 26633032 .
