Mezoskopik fizik - Mesoscopic physics

Mezoskopik fizik , orta büyüklükteki malzemelerle ilgilenen yoğun madde fiziğinin bir alt disiplinidir . Bu malzemelerin boyutları , bir miktar atom için (bir molekül gibi ) nano ölçekte ve mikrometreleri ölçen malzemeler arasında değişir. Alt sınır, tek tek atomların boyutu olarak da tanımlanabilir. Mikrometre düzeyinde dökme malzemeler vardır. Hem mezoskopik hem de makroskopik nesneler birçok atom içerir. Kurucu malzemelerinden elde edilen ortalama özellikler, genellikle klasik mekanik yasalarına uydukları için makroskopik nesneleri tanımlarken , mezoskopik bir nesne, aksine, ortalama etrafındaki termal dalgalanmalardan etkilenir ve elektronik davranışı, kuantum düzeyinde modelleme gerektirebilir. mekanik .

Makroskopik bir elektronik cihaz, orta boyuta küçültüldüğünde kuantum mekaniksel özellikleri ortaya çıkarmaya başlar. Örneğin, makroskopik düzeyde bir telin iletkenliği çapıyla birlikte sürekli olarak artar. Bununla birlikte, mezoskopik düzeyde, telin iletkenliği nicelenir : artışlar, ayrı veya bireysel, tam adımlarda meydana gelir. Araştırma sırasında , yalıtkanların , yarı iletkenlerin , metallerin ve süper iletkenlerin fiziğinin anlaşılmasını ilerletmek için mezoskopik cihazlar inşa edilir, ölçülür ve deneysel ve teorik olarak gözlemlenir . Uygulamalı mezoskopik fizik bilimi, nanocihazlar inşa etme potansiyeli ile ilgilenir.

Mezoskopik fizik , yarı iletken elektronikte transistörlerin minyatürleştirilmesinde olduğu gibi, makroskopik bir nesne minyatürleştirildiğinde ortaya çıkan temel pratik sorunları da ele alır . Malzemenin yüzeyindeki atom yüzdesinin önemli hale geldiği nano ölçeğe yaklaştıkça malzemelerin mekanik, kimyasal ve elektronik özellikleri değişir . Bir mikrometreden büyük dökme malzemeler için, yüzeydeki atomların yüzdesi, tüm malzemedeki atom sayısına göre önemsizdir. Alt disiplin öncelikle mikroelektronik devreler üretmek için kullanılan tekniklerle üretilmiş metal veya yarı iletken malzemeden yapay yapılarla ilgilenir .

Mezoskopik fizik için kesin bir tanım yoktur, ancak çalışılan sistemler normalde 100 nm (tipik bir virüsün boyutu ) ile 1 000 nm (tipik bir bakterinin boyutu) aralığındadır: 100 nanometre, yaklaşık üst sınırdır. nanoparçacık . Bu nedenle, mezoskopik fizik, nanofabrikasyon ve nanoteknoloji alanlarıyla yakın bir bağlantıya sahiptir . Nanoteknolojide kullanılan cihazlar mezoskopik sistemlere örnektir. Bu tür sistemlerdeki üç yeni elektronik fenomen kategorisi, girişim etkileri, kuantum hapsetme etkileri ve şarj etkileridir.

Kuantum hapsi etkileri

Kuantum hapsi etkileri, elektronları enerji seviyeleri, potansiyel kuyular , değerlik bantları , iletim bantları ve elektron enerji bant boşlukları cinsinden tanımlar .

Toplu dielektrik malzemelerdeki (10 nm'den büyük) elektronlar, enerji bantları veya elektron enerji seviyeleri ile tanımlanabilir. Elektronlar farklı enerji seviyelerinde veya bantlarda bulunur. Dökme malzemelerde bu enerji seviyeleri, enerjideki fark ihmal edilebilir olduğundan sürekli olarak tanımlanır. Elektronlar çeşitli enerji seviyelerinde kararlı hale geldikçe, çoğu , bant aralığı olarak adlandırılan yasak bir enerji seviyesinin altındaki değerlik bantlarında titreşir . Bu bölge, hiçbir elektron durumunun bulunmadığı bir enerji aralığıdır. Daha küçük bir miktar, yasak aralığın üzerinde enerji seviyelerine sahiptir ve bu, iletim bandıdır.

Kuantum hapsi etkisi, parçacığın çapı elektronun dalga fonksiyonunun dalga boyu ile aynı büyüklükte olduğunda gözlemlenebilir . Malzemeler bu kadar küçük olduğunda, elektronik ve optik özellikleri dökme malzemelerinkinden önemli ölçüde sapar. Materyal nano ölçeğe doğru küçültüldükçe, sınırlayıcı boyut doğal olarak azalır. Karakteristiklerin artık toplu olarak ortalaması alınmaz ve dolayısıyla sürekli değildir, ancak kuantum düzeyinde ve dolayısıyla ayrıktır. Başka bir deyişle, enerji spektrumu , dökme malzemelerde olduğu gibi sürekli olmaktan ziyade kuanta olarak ölçülen ayrık hale gelir. Sonuç olarak, bant aralığı kendini gösterir: enerji seviyeleri arasında küçük ve sonlu bir ayrım vardır. Ayrık enerji seviyelerinin bu durumuna kuantum hapsi denir .

Ek olarak, kuantum hapsetme etkileri, iki farklı yarı iletken malzeme arasındaki desenli arayüzde oluşturulabilen izole elektron adalarından oluşur. Elektronlar tipik olarak kuantum noktaları olarak adlandırılan disk şeklindeki bölgelerle sınırlıdır . Elektronların bu sistemlerde tutulması, yukarıda belirtildiği gibi elektromanyetik radyasyonla etkileşimlerini önemli ölçüde değiştirir.

Kuantum noktalarının elektron enerji seviyeleri sürekli olmaktan ziyade ayrık olduğundan, kuantum noktasına sadece birkaç atomun eklenmesi veya çıkarılması, bant aralığının sınırlarını değiştirme etkisine sahiptir. Kuantum noktasının yüzeyinin geometrisinin değiştirilmesi, yine noktanın küçük boyutu ve kuantum hapsinin etkileri nedeniyle bant aralığı enerjisini de değiştirir.

Girişim etkileri

Mezoskopik rejimde, safsızlıklar gibi kusurlardan saçılma, elektron akışını modüle eden girişim etkilerine neden olur. Mezoskopik girişim etkilerinin deneysel imzası, fiziksel miktarlarda tekrarlanabilir dalgalanmaların ortaya çıkmasıdır. Örneğin, belirli bir örneğin iletkenliği, deneysel parametrelerdeki dalgalanmaların bir fonksiyonu olarak görünüşte rastgele bir şekilde salınır. Ancak, deneysel parametreler orijinal değerlerine geri döndürülürse aynı model yeniden izlenebilir; aslında, gözlemlenen kalıplar bir gün boyunca tekrarlanabilir. Bunlar evrensel iletkenlik dalgalanmaları olarak bilinir .

Zaman çözümlü mezoskopik dinamikler

Mezoskopik dinamiklerde zaman çözümlü deneyler: katılarda çatlak oluşumu, faz ayrımı ve sıvı halde veya biyolojik olarak ilgili ortamlarda hızlı dalgalanmalar gibi yoğun faz dinamiklerinin nano ölçekte gözlemlenmesi ve incelenmesi ; ve kristal olmayan malzemelerin ultra hızlı dinamiklerinin nano ölçekte gözlemlenmesi ve incelenmesi.

İlişkili

Aharonov-Bohm nano halkaları
dallanmış akış
Balistik iletim - İhmal edilebilir saçılma ile yük taşıyıcıların hareketi
Coulomb ablukası
Nanomalzemeler – Granüler boyutu 1 ila 100 nm arasında olan malzemeler
nanofizik
Nanoteknoloji – Konusu maddenin atomik ve (üstü) moleküler ölçekte kontrolü olan uygulamalı bilim alanı
Kalıcı akım – Harici bir güç kaynağı gerektirmeyen sürekli elektrik akımı
Kuantum kaosu – Kaotik dinamik sistemleri kuantum teorisi ile açıklamaya çalışan fizik dalı
Kuantum Hall etkisi – Hall etkisinin kuantum-mekanik versiyonu
kuantum teli
Rastgele matris – Matris değerli rastgele değişken
Yarı klasik fizik - Bazı yönleri kuantum mekaniği ve diğerlerini klasik fizik açısından ele alan fiziksel model
Spin-yörünge etkileşimi
Zayıf yerelleştirme

Referanslar

Dış bağlantılar

Beenakker, Carlo (1995). "Kuantum Bilardoda Kaos" (PDF) . Universiteit Leiden . 14 Haziran 2018'de alındı .
Harmans, C. (2003). "Mezoskopik fizik: bir giriş" (PDF) . OpenCourseWare TU Delft . 14 Haziran 2018'de alındı .
Jalabert, Rodolfo A. (2016). "Mezoskopik taşıma ve kuantum kaosu". Scholarpedia . 11 (1): 30946. arXiv : 1601.02237 . Bibcode : 2016SchpJ..1130946J . doi : 10.4249/scholarpedia.30946 .

Languages

In other projects