Utazások alagúteffektussal Vancsó Péter, Márk Géza István MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet, Budapest http://www.nanotechnology.hu

www.nanotechnology.hu

A potenciális energia (1) Klasszikus mechanikában: ha ismerjük az F erőteret, ki tudjuk számítani a tömegpont gyorsulását az F=ma mozgásegyenletből.

A potenciális energia (2) Konzervatív erőtér esetén („ha nincs súrlódás”): Emech = Emozg + Epot Epot Emech Emozg x

A potenciális és a kinetikus energia játéka Click into image to start animation

Klasszikusan tiltott tartomány Epot Emech Emozg x Az Epot>Emech tartományba nem tud behatolni a részecske, mert a tartomány szélén Emozg=0, v=0, tehát visszafordul!

Az alagútjelenség Az alagutazás valószínűsége Nem tud átjutni a falon – klasszikus mechanika Át tud jutni a falon – kvantummechanika Az alagutazás valószínűsége Makroszkopikus testekre PICI Nanoméretű testekre NAGY

Alagútjelenség: példa (1) Mivel a fémfelületen oxidréteg van (szigetelő), a klasszikus mechanika szerint nem tudna áram folyni! De a kvantummechanika megmutatja, hogy a vékony oxidrétegen át tudnak alagutazni az elektronok – folyik az áram!

Alagútjelenség: példa (2) A Napban az energiát hidrogén fúzió termeli, ehhez kezdetben két hidrogén atommag egyesül, majd végül hélium keletkezik és energia. De az atommagok pozitív töltése taszítja egymás: a magok nem tudnak elég közel jutni egymáshoz – a Napban ehhez nincs elég meleg! Click into image to start animation Segít az alagúteffektus! Click into image to start animation

Alagútjelenség: példa (3) A flash memória alagúteffektussal működik

Méretskálák

A fizika skálái TÉR 1 Angstrom = 10-10 m 1 m 10 millió km = 1010 m IDŐ 1 femto sec = 10-15 s 1 s 31 millió év = 1015 s TÖRVÉNYEK Kvantum Klasszikus

Mivel tudunk vizsgálódni a nanométeres tartományban? Click into image to start animation Pásztázó alagút mikroszkóp (STM) Nobel díj: 1986

„Legó” atomokkal

Kvantummechanika szemléltetése: kétréses kísérlet – klasszikus eset Teniszlabda

Kvantummechanika szemléltetése: kétréses kísérlet – kvantumos eset Ezekre a helyekre sose megy az elektron! Középre is jut részecske! Ezekre a helyekre sose megy az elektron! Elektron forrás Fluoreszkáló ernyő Akadály két nyílással

Az anyag hullámtermészete

A hullámfüggvény idő helyvektor hullámfüggvény A kvantummechanikai hullámfüggvény azt határozza meg, adott helyen és adott időpontban mekkora valószínűséggel és milyen fázissal található meg a részecske.

Schrödinger egyenlet: a kvantummechanika mozgásegyenlete Hamilton operátor idő helyvektor idő deriválás hullámfüggvény Az elméleti fizika számára általában túl bonyolultak a nanorendszerek A nanovilág számítógépes szimulációja segíthet!!!

A hullámcsomag dinamikai módszer Bejövő hullámcsomag Szórt Szóráskísérlet a számítógépben Rendszer Abs(Psi)2

Az alagútjelenség a hullámcsomag dinamikában A r(x,y;t) megtalálási valószínűség

STM alagutazás modellezése Szén nanocsővek

Az elektronnak keresztül kell mennie a nanocsövön. STM modell STM tű nanocső hordozó Akkor mérünk alagútáramot, ha az elektron a tűből a mintába alagutazik. Az elektronnak keresztül kell mennie a nanocsövön.

Egy szintfelület időfejlődése STM tű nanocső hordozó Az elektron a tűből indul A szintfelület ábrázolási dobozon belüli részét látjuk. Click into image to start animation

Web-Schrödinger Internet Internet Internet Internet Web browser Client computer Internet Web browser Web server Internet Client computer Calculation server Internet Web browser Client computer Internet Web browser Client computer

Web-Schrödinger használata Potenciál megadása Kezdő Y hullámfüggvény megadása Y időfejlődés kiszámolása (szerver) Időfejlődés ábrázolása

Web-Schrödinger példa

Web-Schrödinger példa

További tudnivalók az alagutazásról Dávid Gyula (DGy) előadása az ELTE „Atomoktól a Csillagokig” sorozatában A fóliák és a videofelvétel elérhető itt: http://www.atomcsill.elte.hu/program/kivonat/2009-2010/3

Köszönöm a figyelmet!