Квантовая проводимость

Природа квантовой проводимости

Квантовая проводимость проявляется в наноструктурах и нанопроводах, где размеры сечения приближены к длине свободного пробега электронов, а движение электронов ограничено в одном или нескольких направлениях.

• В таких системах электропроводность дискретизируется, а проводимость выражается через целочисленные кратные квантового значения $G_0 = \frac{2e^2}{h} \approx 7.748 \times 10^{-5} \, \text{См}$, где e — элементарный заряд, h — постоянная Планка.
• Каждый квантовый канал (или подполоса) пропускает ток с квантованной величиной проводимости G₀.

Квантовые точки и нанопроволоки

• В квантовых точках электроны локализованы в трёх измерениях, создавая дискретный спектр уровней энергии.
• В нанопроводах и наножильцах, ограниченных по двум измерениям, электроны движутся свободно вдоль оси провода, но их движение в поперечном направлении квантовано.
• Квантование приводит к появлению ступенчатой зависимости проводимости от поперечного сечения или напряжения.

Механизмы электронного транспорта

• Баллистический транспорт — электрон проходит через наноструктуру без рассеяния, что необходимо для проявления квантовой проводимости.
• Когерентный транспорт — волновая функция электрона сохраняет фазу, что даёт интерференционные эффекты.
• Туннельный эффект — в случае потенциальных барьеров в наноструктурах, электрон может туннелировать, не преодолевая классический барьер.

Квантовые эффекты в проводимости

• Эффект Кокса — изменение сопротивления при прохождении через одноатомные контакты.
• Эффект квантовых интерферонов — колебания проводимости, связанные с интерференцией электронных волн.
• Квантовые переходы между энергетическими уровнями вызывают дискретные изменения тока и напряжения.

Влияние температуры и взаимодействий

• При повышении температуры коэрентность и длина свободного пробега уменьшаются, что приводит к затуханию квантовых эффектов.
• Взаимодействие электрон-электрон и взаимодействие с фононами влияют на проводимость, могут приводить к эффектам корреляции.

Технологические применения и перспективы

• Квантовая проводимость лежит в основе разработки атомных и молекулярных электронных устройств.
• Управление квантовыми каналами позволяет создавать сверхчувствительные датчики и компоненты для квантовых вычислений.
• Изучение квантовой проводимости способствует пониманию фундаментальных процессов в электронных наноструктурах и формирует основу для наноэлектроники.