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量子隧道,什么是量子隧道效應(yīng)

來源:整理 時間:2024-10-24 05:11:19 編輯:智能門戶 手機(jī)版

1,什么是量子隧道效應(yīng)

根據(jù)量子力學(xué)理論的計算和科學(xué)實驗的證明,當(dāng)具有電位勢差的兩個導(dǎo)體之間的距離小到百一定程度時,電子將存在一定的幾率穿透兩導(dǎo)體之間的勢壘從一端向另一端躍遷度,這種電子躍遷的現(xiàn)象在量子力學(xué)中被稱為隧道效應(yīng),而躍遷形成的專電流叫做隧道電流.隧道電流有一種特殊的性質(zhì),既對兩導(dǎo)體之間的距離非常敏感,如果把距離減少0.1納米,隧道電屬流就會增大一個數(shù)量級。

什么是量子隧道效應(yīng)

2,量子隧道效應(yīng)的介紹

英文名稱:Quantum tunnelling effect量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一,即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。如圖,縱坐標(biāo)為能量的多少。按經(jīng)典理論,粒子為脫離此能量的勢壘,必須從勢壘的頂部越過。但由于量子力學(xué)中的量子不確定性,時間和能量為一組共軛量。在很短的時間中(即時間很確定),能量可以很不確定,從而使一個粒子看起來像是從“隧道”中穿過了勢壘。在諸如能級的切換,兩個粒子相撞或分離的過程(如在太陽中發(fā)生的僅約1000萬攝氏度的“短核聚變”)中,量子隧道效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生。

量子隧道效應(yīng)的介紹

3,宏觀量子隧道效應(yīng)的應(yīng)用

早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。近年來人們發(fā)現(xiàn)Fe-Ni薄膜中疇壁運動速度在低于某一臨界溫度時基本上與溫度無關(guān)。于是,有人提出量子理想的零點震動可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)。從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向,保持有限的弛豫時間,即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要的意義,它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應(yīng),隧道效應(yīng)將會是未來電子器件的基礎(chǔ),或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時,必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

宏觀量子隧道效應(yīng)的應(yīng)用

4,量子隧道效應(yīng)的理論依據(jù)是啥

量子隧道效應(yīng)的理論依據(jù)可以說是不確定性原理(http://baike.baidu.com/view/24947.htm)或波粒二象性(http://baike.baidu.com/view/7696.htm),這兩者是密切的一體兩面的關(guān)系。  一般情況下,某個(群)粒子的能量或動量總含有一定的不確定性,這樣,經(jīng)典物理看來是有確定能量或動量的它們絕不可能越過某個明顯的勢壘;但在量子力學(xué)看來,因總有不確定,可以有一定的概率,粒子的能量(或動量)會在短暫的時間(或狹小的空間)中超過勢壘的高度,從而越過;在經(jīng)典看來,這就像從隧道穿過?! 牟6笮缘慕嵌壤斫猓梢砸暈榱W佑辛瞬▌拥脑跁r空中無限拓展的彌漫性,于是,除非是無限高或無限厚的勢壘,粒子總會向勢壘以外彌漫出去一部分。  在數(shù)學(xué)形式上,上述兩種描述是完全一樣的。
英文名稱:quantum tunnelling effect量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一,即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。如圖,縱坐標(biāo)為能量的多少。按經(jīng)典理論,粒子為脫離此能量的勢壘,必須從勢壘的頂部越過。但由于量子力學(xué)中的量子不確定性,時間和能量為一組共軛量。在很短的時間中(即時間很確定),能量可以很不確定,從而使一個粒子看起來像是從“隧道”中穿過了勢壘。在諸如能級的切換,兩個粒子相撞或分離的過程(如在太陽中發(fā)生的僅約1000萬攝氏度的“短核聚變”)中,量子隧道效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生。

5,量子隧道是什么

隧道效應(yīng)由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)。又稱勢壘貫穿??紤]粒子運動遇到一個高于粒子能量的勢壘,按照經(jīng)典力學(xué),粒子是不可能越過勢壘的;按照量子力學(xué)可以解出除了在勢壘處的反射外,還有透過勢壘的波函數(shù),這表明在勢壘的另一邊,粒子具有一定的概率,粒子貫穿勢壘。 簡介  由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)。又稱勢壘貫穿[1] 。考慮粒子運動遇到一個高于粒子能量的勢壘,按照經(jīng)典力學(xué),粒子是不可能越過勢壘的;按照量子力學(xué)可以解出除了在勢壘處的反射外,還有透過勢壘的波函數(shù),這表明在勢壘的另一邊,粒子具有一定的概率,粒子貫穿勢壘。理論計算表明,對于能量為幾電子伏的電子,方勢壘的能量也是幾電子伏 ,當(dāng)勢壘寬度為1埃時 , 粒子的透射概率達(dá)零點幾 ;而當(dāng)勢壘寬度為10時,粒子透射概率減小到10-10 ,已微乎其微??梢娝淼佬?yīng)是一種微觀世界的量子效應(yīng),對于宏觀現(xiàn)象,實際上不可能發(fā)生。 隧道效應(yīng) 在勢壘一邊平動的粒子,當(dāng)動能小于勢壘高度時,按經(jīng)典力學(xué),粒子是不可能穿過勢壘的。對于微觀粒子,量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率穿過勢壘,實際也正是如此,這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。對于諧振子,按經(jīng)典力學(xué),由核間距所決定的位能決不可能超過總能量。量子力學(xué)卻證明這種核間距仍有一定的概率存在,此現(xiàn)象也是一種隧道效應(yīng)。   隧道效應(yīng)是理解許多自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)。   隧道效應(yīng)   概述   在兩層金屬導(dǎo)體之間夾一薄絕緣層,就構(gòu)成一個電子的隧道結(jié)。實驗發(fā)現(xiàn)電子可以通過隧道結(jié),即電子可以穿過絕緣層,這便是隧道效應(yīng)。使電子從金屬中逸出需要逸出功,這說明金屬中電子勢能比空氣或絕緣層中低.于是電子隧道結(jié)對電子的作用可用一個勢壘來表示,為了簡化運算,把勢壘簡化成一個一維方勢壘。   所謂隧道效應(yīng),是指在兩片金屬間夾有極薄的絕緣層(厚度大約為1nm(10-6mm),如氧化薄膜),當(dāng)兩端施加勢能形成勢壘V時,導(dǎo)體中有動能E的部分微粒子在E<V的條件下,可以從絕緣層一側(cè)通過勢壘V而達(dá)到另一側(cè)的物理現(xiàn)象。   產(chǎn)生隧道效應(yīng)的原因是電子的波動性。按照量子力學(xué)原理,在低速情況下,具有能量(動能)E的電子的波長   h 隧道效應(yīng) λ=-----------------   √2mE   (其中,h——普朗克常數(shù);m——電子質(zhì)量;E——電子的動能),在勢壘V前:若E>V,它進(jìn)入勢壘V區(qū)時,將波長改變?yōu)?   h   λ=----------------------   √2m(E-V)   若E<V時,雖不能形成有一定波長的波動,但電子仍能進(jìn)入V區(qū)的一定深度。當(dāng)該勢壘區(qū)很窄時,即使是動能E小于勢壘V,也會有一部分電子穿透V區(qū)而自身動能E不變。換言之,在E<V時,電子入射勢壘就一定有反射電子波存在,但也有透射波存在。 編輯本段原理   經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為,物體越過勢壘,有一閾值能量;粒子能量小于此能量則不能越過,大于 隧道效應(yīng) 此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡,先用力騎,如果坡很低,不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高,不蹬自行車,車到一半就停住,然后退回去。   量子力學(xué)則認(rèn)為,即使粒子能量小于閾值能量,很多粒子沖向勢壘,一部分粒子反彈,還會有一些粒子能過去,好像有一個隧道,故名隧道效應(yīng)(quantum tunneling)??梢姡暧^上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下,隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng),因為隧穿幾率極小,但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會出現(xiàn)。

6,什么是量子隧道

宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一,即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來,人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強(qiáng)度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng),稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。近年來人們發(fā)現(xiàn)Fe-Ni薄膜中疇壁運動速度在低于某一臨界溫度時基本上與溫度無關(guān)。于是,有人提出量子理想的零點震動可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)。從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向,保持有限的馳豫時間,即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要的意義,它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應(yīng),隧道效應(yīng)將會是未來電子器件的基礎(chǔ),或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時,必須要考慮上述的量子效應(yīng)。 上述的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外,納米材料還有在此基礎(chǔ)上的介電限域效應(yīng)、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì),出現(xiàn)一些“反?,F(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體,在低溫時納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性;一般PbTiO3,BaTiO3和SrTiO3等是典型鐵電體,但當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級就會變成順電體;鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米尺度(~5nm)時,由多疇變成單疇,于是顯示極強(qiáng)順磁效應(yīng);當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時,已不具有典型共價鍵特征,界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性,在交流電下電阻很??;化學(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子(鉑黑)后,卻成為活性極好的催化劑;金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色,而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低,通??傻陀?%,由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米粒子對光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力;由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對光的均勻吸收性,納米復(fù)合多層膜在7~17GHz頻率的吸收峰高達(dá)14dB,在10dB水平的吸收頻寬為2GHz;顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強(qiáng)度較之多晶Fe提高12倍;納米Cu晶體自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的1016至1019倍,是晶界擴(kuò)散的103倍;納米金屬Cu的比熱是傳統(tǒng)純Cu的兩倍;納米固體Pd熱膨脹提高一倍;納米Ag晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱交換器效率較傳統(tǒng)材料高30%;納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍,而飽和磁矩是普通金屬的1/2。參考資料:http://www.snpc.org.cn/Literature/view.asp?ID=571
宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一,即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來,人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強(qiáng)度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng),稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。近年來人們發(fā)現(xiàn)fe-ni薄膜中疇壁運動速度在低于某一臨界溫度時基本上與溫度無關(guān)。于是,有人提出量子理想的零點震動可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)。從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向,保持有限的馳豫時間,即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要的意義,它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應(yīng),隧道效應(yīng)將會是未來電子器件的基礎(chǔ),或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時,必須要考慮上述的量子效應(yīng)。 上述的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外,納米材料還有在此基礎(chǔ)上的介電限域效應(yīng)、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì),出現(xiàn)一些“反?,F(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體,在低溫時納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性;一般pbtio3,batio3和srtio3等是典型鐵電體,但當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級就會變成順電體;鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米尺度(~5nm)時,由多疇變成單疇,于是顯示極強(qiáng)順磁效應(yīng);當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時,已不具有典型共價鍵特征,界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性,在交流電下電阻很小;化學(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子(鉑黑)后,卻成為活性極好的催化劑;金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色,而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低,通常可低于1%,由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米粒子對光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力;由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對光的均勻吸收性,納米復(fù)合多層膜在7~17ghz頻率的吸收峰高達(dá)14db,在10db水平的吸收頻寬為2ghz;顆粒為6nm的納米fe晶體的斷裂強(qiáng)度較之多晶fe提高12倍;納米cu晶體自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的1016至1019倍,是晶界擴(kuò)散的103倍;納米金屬cu的比熱是傳統(tǒng)純cu的兩倍;納米固體pd熱膨脹提高一倍;納米ag晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱交換器效率較傳統(tǒng)材料高30%;納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍,而飽和磁矩是普通金屬的1/2。 各種元素的原子具有特定的光譜線,如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級的概念進(jìn)行了合理的解釋,由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時,單獨原子的能級就并合成能帶,由于電子數(shù)目很多,能帶中能級的間距很小,因此可以看作是連續(xù)的,從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別,對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言,大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級;能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時,就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性,稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如,導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體,磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān),比熱亦會反常變化,光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動,這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此,對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng),原有宏觀規(guī)律已不再成立。 電子具有粒子性又具有波動性,因此存在隧道效應(yīng)。近年來,人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量,如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng),稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ),或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限,當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如,在制造半導(dǎo)體集成電路時,當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時,電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件,使器件無法正常工作,經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。
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