Квантовое туннелирование

Оглавление1 Квантовое туннелирование1.1 Квантовое туннелирование1.2 История и признание1.3 Приложения1.4 Туннельные переходы1.5 Диоды и туннельный эффект1.6 Резонансные туннельные диоды1.7 Туннельные полевые […]

Оглавление

Квантовое туннелирование

  • Квантовое туннелирование

    • Квантовое туннелирование — это явление, при котором объект проходит через потенциальный барьер, который, согласно классической механике, не должен быть преодолим.  
    • Туннелирование объясняется волновой природой материи и уравнением Шредингера.  
    • Вероятность туннелирования экспоненциально уменьшается с увеличением высоты барьера и массы частицы.  
  • История и признание

    • Туннелирование было предсказано в начале 20 века и признано в середине века.  
    • Фридрих Хунд первым применил уравнение Шредингера к задаче туннелирования в 1927 году.  
    • В 1928 году Мандельштам и Леонтович независимо открыли туннелирование.  
    • В 1957 году Эсаки продемонстрировал туннелирование электронов через барьер в полупроводниковой структуре.  
  • Приложения

    • Туннелирование ограничивает минимальный размер устройств в микроэлектронике.  
    • Туннелирование используется в туннельных диодах, квантовых вычислениях, флэш-памяти и сканирующих туннельных микроскопах.  
    • Туннелирование важно для физики твердого тела, электроники и холодного излучения.  
  • Туннельные переходы

    • Туннельные переходы создаются разделением двух проводников тонким изолятором.  
    • Джозефсоновские переходы используют квантовое туннелирование и сверхпроводимость для создания эффекта Джозефсона.  
    • Эти переходы находят применение в прецизионных измерениях и многопереходных солнечных элементах.  
  • Диоды и туннельный эффект

    • Диоды используют обедненный слой для управления током.  
    • При небольшом прямом смещении ток возникает из-за туннелирования.  
    • Туннельный ток быстро падает, что позволяет создавать диоды с диапазоном напряжений.  
  • Резонансные туннельные диоды

    • Используют квантовое туннелирование для достижения резонансного напряжения.  
    • Ток соответствует определенному напряжению, достигаемому размещением тонких слоев.  
    • При увеличении напряжения туннелирование становится маловероятным.  
  • Туннельные полевые транзисторы

    • Используют квантовое туннелирование для управления затвором.  
    • Снижают напряжение на затворе и энергопотребление.  
    • Могут повысить производительность интегральных схем.  
  • Проводимость кристаллических твердых тел

    • Модель электропроводности Друде-Лоренца дополняется квантовым туннелированием.  
    • Электроны могут проходить сквозь металл, что приводит к высокой проводимости.  
  • Сканирующий туннельный микроскоп

    • Использует квантовое туннелирование для получения изображений атомов.  
    • Точность STM составляет 0,001 нм.  
  • Ядерная физика

    • Квантовое туннелирование важно для ядерного синтеза.  
    • Радиоактивный распад также использует квантовое туннелирование.  
  • Химия

    • Квантовое туннелирование объясняет энергетически запрещенные реакции.  
    • Кинетический изотопный эффект требует квантового туннелирования.  
  • Астрохимия в межзвездных облаках

    • Квантовое туннелирование объясняет синтез молекул в межзвездных облаках.  
  • Квантовая биология

    • Квантовое туннелирование важно в биохимических реакциях и мутациях ДНК.  
    • Спонтанная мутация возникает из-за туннелирования протона.  
  • Математическая дискуссия

    • Уравнение Шредингера описывает поведение частиц в квантовой механике.  
    • Решения уравнения Шредингера зависят от знака M(x).  
  • Решения уравнения

    • Решения представляют собой возрастающие и убывающие экспоненты.  
    • Знак M(x) определяет природу среды.  
    • Кратковременная волновая связь возникает при положительном M(x) между областями с отрицательным M(x).  
  • Приближение WKB

    • Волновая функция выражается через экспоненту.  
    • Уравнение решается с использованием квазиклассического приближения.  
    • Решения включают классическое движение и туннелирование.  
  • Глобальное решение

    • Решения вблизи классических поворотных точек преобразуются в дифференциальные уравнения.  
    • Глобальное решение связывает предельные решения.  
    • Коэффициент пропускания частицы через барьер равен e-2∫x1x2dx2mℏ2[V(x)-E].  
  • Быстрее света

    • Некоторые физики утверждают, что частицы могут туннелировать быстрее скорости света.  
    • Другие физики оспаривают эти утверждения, утверждая, что волновой пакет распространяется локально.  
  • Динамическое туннелирование

    • Концепция квантового туннелирования распространяется на ситуации без потенциального барьера.  
    • Туннелирование в фазовом пространстве особенно важно для больших измерений.  
  • Туннелирование с помощью хаоса

    • В реальных системах фазовое пространство состоит из островков правильных орбит и хаотических орбит.  
    • Туннелирование с помощью хаоса характеризуется резкими резонансами скорости туннелирования.  
  • Туннелирование с помощью резонанса

    • Тонкая структура классического фазового пространства играет ключевую роль при туннелировании.  
    • Два симметричных тора связаны через нелинейные резонансы.  
  • Связанные явления

    • Затухающее волновое взаимодействие и недисперсионное волновое уравнение моделируются аналогично квантовому туннелированию.  
  • Описание среды передачи

    • Одна среда передачи одинакова или почти одинакова на всем протяжении  
    • Вторая среда передачи отличается  
  • Анализ прямоугольного барьера

    • Уравнение Шредингера может быть адаптировано к другим эффектам  
    • Волновое уравнение имеет решения для бегущей волны в среде A  
    • Реальные экспоненциальные решения в среде B  
  • Примеры сред

    • В оптике среда А – вакуум, среда В – стекло  
    • В акустике среда А может быть жидкой или газообразной, среда В – твердой  
  • Потенциальные барьеры

    • Среда А – область пространства с полной энергией частицы больше потенциальной энергии  
    • Среда В – потенциальный барьер  
  • Входящие и результирующие волны

    • Входящая волна и результирующие волны в обоих направлениях  
    • Может быть больше сред и барьеров  
  • Аппроксимации

    • Полезны аппроксимации для более сложных случаев  
  • Классическая связь волна-частица

    • Первоначально рассматривалась как аналог квантового туннелирования  
    • Последующий анализ выявил гидродинамику, связанную с вертикальным импульсом  
  • Дополнительные примеры

    • Диэлектрический барьерный разряд  
    • Электронная эмиссия в полевых условиях  
    • Способ приготовления голштинской сельди  
    • Туннелирование протонов  
    • Квантовое клонирование  
    • Сверхпроводящий туннельный переход  
    • Туннельный диод  
    • Туннельный переход  
    • Белая дыра  
  • Рекомендации

    • Дальнейшее чтение  
    • Внешние ссылки  
    • Анимация, приложения и исследования, связанные с туннельным эффектом и другими квантовыми явлениями (Парижский университет)  
    • Анимированная иллюстрация квантового туннелирования  
    • Анимированная иллюстрация квантового туннелирования в RTD-устройстве  
    • Интерактивное решение уравнения туннеля Шредингера  

Полный текст статьи:

Квантовое туннелирование

Оставьте комментарий

Прокрутить вверх