Квантовый туннелирование — фундамент явлений в нанофизике
Туннельный эффект — квантовомеханическое явление прохождения частицы через потенциальный барьер, превышающий её энергию. Это невозможно по классической физике, но вероятно в квантовой механике из-за волновой природы частиц.
В нанофизике туннельные эффекты лежат в основе работы множества устройств и явлений, таких как туннельные переходы в наноструктурах, одноэлектронные транзисторы, квантовые точки и спиновые туннели.
Туннельный эффект в металлических и полупроводниковых наноструктурах
В металлах и полупроводниках на наноуровне электроны могут туннелировать между двумя объектами через тонкий изолирующий слой или вакуум, если расстояние между ними порядка нескольких нанометров.
Это явление используется, например, в сканирующей туннельной микроскопии (STM) — методе, позволяющем исследовать поверхность с атомным разрешением.
Одноэлектронный туннельный эффект
В наночастицах или квантовых точках с очень малым размером электроны проявляют эффект одноэлектронного туннелирования, когда заряд частицы может изменяться на один электрон.
Из-за сильного кулоновского взаимодействия добавление электрона сопровождается скачком энергии (эффект кулоновской блокады), что проявляется в вольтамперных характеристиках в виде ступеней и пиков.
Туннельный магниторезистивный эффект (TMR)
При наличии ферромагнитных электродов по обе стороны от туннельного барьера наблюдается туннельный магниторезистивный эффект — изменение сопротивления в зависимости от взаимной ориентации магнитных моментов.
TMR используется в современных магнитных датчиках, магнитной памяти MRAM, что делает понимание туннельных процессов критически важным для нанотехнологий.
Квантовый туннелинг и спиновые эффекты
В спинтронике ключевую роль играют туннельные процессы с учётом спина электрона. Туннельный спин-поляризованный ток позволяет управлять магнитным состоянием наноструктур, реализуя функции записи и считывания информации на спиновом уровне.
Туннелирование и сверхпроводимость
В наноструктурах с суперпроводящими элементами туннелирование сопровождается возникновением Джозефсоновского эффекта — прохождением сверхтока через тонкий барьер без приложенного напряжения.
Это важное явление для квантовых вычислений и создания высокочувствительных магнитометров.