¿Qué es la corriente de túnel inelástica?

Efecto túnel

efecto túnel

Definición

Efecto cuántico determinado por la volatilidad de partículas microscópicas. También llamada penetración de barrera. Considere que el movimiento de una partícula encuentra una barrera de potencial superior a la energía de la partícula. Según la mecánica clásica, es imposible que la partícula cruce la barrera de potencial. Según la mecánica cuántica, se puede resolver que además de la. reflexión en la barrera de potencial, también hay ondas que atraviesan la función de barrera de potencial, lo que indica que existe una cierta probabilidad de que una partícula esté al otro lado de la barrera y que la partícula atraviese la barrera. Los cálculos teóricos muestran que para electrones con energía de varios electronvoltios, la energía de la barrera cuadrada también es de varios electronvoltios. Cuando el ancho de la barrera es de 1 angstrom, la probabilidad de transmisión de la partícula alcanza unas pocas décimas cuando el ancho de la barrera es de 10; , la partícula La probabilidad de transmisión se reduce a 10-10, que es extremadamente pequeña. Se puede ver que el efecto túnel es un efecto cuántico en el mundo microscópico y, en realidad, es imposible que ocurran fenómenos macroscópicos.

Para una partícula que se mueve en traslación a un lado de una barrera de potencial, cuando la energía cinética es menor que la altura de la barrera de potencial, según la mecánica clásica, es imposible que la partícula atraviese la barrera de potencial. barrera potencial. Para las partículas microscópicas, la mecánica cuántica demuestra que todavía tienen una cierta probabilidad de atravesar la barrera de potencial, y este es realmente el caso. Este fenómeno se llama efecto túnel. Para un oscilador armónico, según la mecánica clásica, la energía potencial determinada por la distancia nuclear nunca puede exceder la energía total. La mecánica cuántica demuestra que esta distancia nuclear todavía existe con cierta probabilidad y que este fenómeno también es un efecto túnel.

El efecto túnel es fundamental para comprender muchos fenómenos naturales.

Descripción general

Intercalar una fina capa aislante entre dos capas de conductores metálicos forma una unión de túnel de electrones. Los experimentos han descubierto que los electrones pueden atravesar la unión del túnel, es decir, los electrones pueden atravesar la capa aislante. Este es el efecto túnel. Hacer que los electrones escapen de un metal requiere una función de trabajo, lo que significa que la energía potencial de los electrones en los metales es menor que en el aire o en las capas aislantes. Por lo tanto, el efecto de la unión del túnel de electrones sobre los electrones se puede representar mediante una barrera de potencial. Para simplificar el cálculo, la barrera de potencial se simplifica a una barrera cuadrada unidimensional.

El llamado efecto túnel se refiere a una capa aislante extremadamente delgada (de aproximadamente 1 nm de espesor (10-6 mm), como una película de óxido) intercalada entre dos piezas de metal cuando se aplica energía potencial a ambas. termina, se forma una barrera de potencial V cuando, algunas partículas con energía cinética E en el conductor pueden pasar a través de la barrera de potencial V de un lado de la capa aislante al otro lado bajo la condición de E < V.

El efecto túnel está provocado por la naturaleza ondulatoria de los electrones. Según los principios de la mecánica cuántica, la longitud de onda de un electrón con energía (energía cinética) E = (donde, - constante de Planck; - masa del electrón; E - energía cinética del electrón), frente a la barrera de potencial V: si E>V, Al entrar en la región V de la barrera de potencial, la longitud de onda cambia a λ′=; si E

Principio

La física clásica cree que cuando un objeto cruza una barrera de potencial, existe un umbral de energía; si la energía de la partícula es menor que esta energía, no puede cruzar, y si sí lo hace; es mayor que esta energía, puede cruzar. Por ejemplo, cuando andes en bicicleta por una pendiente pequeña, pedalea fuerte primero. Si la pendiente es muy baja, podrás pasar por inercia sin pedalear. Si la pendiente es muy alta, sin pedalear, parar a mitad del camino y luego retroceder.

La mecánica cuántica cree que incluso si la energía de las partículas es menor que la energía umbral, muchas partículas se precipitan hacia la barrera, algunas rebotan y otras pueden atravesarla, como si hubiera un túnel, de ahí la nombre túnel cuántico). Se puede observar que la certeza macroscópica a menudo conduce a una incertidumbre microscópica. Aunque en circunstancias normales, el efecto túnel no afecta al efecto macroscópico clásico porque la probabilidad de formación de túneles es extremadamente pequeña, los efectos macroscópicos de túnel también pueden ocurrir bajo ciertas condiciones especiales.

Descubridor

En 1957, Leo Esaki (1940～), empleado de Sony Corporation, descubrió en el proceso de mejora del transistor de alta frecuencia 2T7 que al agregar dos uniones PN Cuando aumenta el voltaje en la terminal, la corriente disminuye. Esaki Reina explicó este fenómeno de resistencia negativa anormal como el efecto túnel. Más tarde, Esaki utilizó este efecto para crear un diodo túnel (también llamado diodo Esaki). En 1960, el científico noruego-estadounidense Ivan Giaever (1929~) demostró experimentalmente la existencia del efecto túnel de un solo electrón en uniones de túneles superconductores. Antes de esto, la teoría del "par de Cooper" y la teoría BCS que aparecieron en 1956 fueron reconocidas como la explicación perfecta del fenómeno superconductor. El efecto túnel de un solo electrón es sin duda un complemento importante a la teoría superconductora. En 1962, Brian David Josephson (1940~), un estudiante de posgrado en física experimental de 20 años de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, predijo que cuando se coloca una fina capa aislante entre dos superconductores para formar un SIS (Superconductor -Aislante-Superconductor), electrones Es posible pasar de un superconductor a otro a través de un aislante. La predicción de Josephson pronto fue confirmada por las observaciones experimentales de P.W. Anderson y J.M. Lowell: el efecto túnel se produjo cuando pares de electrones atravesaron una fina capa aislante (de unos 10 angstroms de espesor) entre dos metales superconductores, por lo que se le llama "efecto Josephson". El efecto túnel cuántico macroscópico establece el límite de una mayor miniaturización de los dispositivos microelectrónicos. Cuando los dispositivos microelectrónicos se miniaturizan aún más, se deben tener en cuenta los efectos cuánticos mencionados anteriormente. Por ejemplo, cuando se fabrican circuitos integrados semiconductores, cuando el tamaño del circuito se acerca a la longitud de onda de los electrones, los electrones penetran la capa aislante a través del efecto túnel, lo que hace que el dispositivo no funcione correctamente. Por lo tanto, el túnel cuántico macroscópico se ha convertido en una teoría importante en microelectrónica y optoelectrónica.

Propósito

El túnel es esencialmente un salto cuántico en el que los electrones cruzan rápidamente una barrera de potencial. La construcción de túneles tiene muchos usos. Si se fabrica un microscopio de efecto túnel con una resolución de 0,1 nm (1A), se pueden observar células grandes en la superficie (111) del Si. Pero es adecuado para la observación de muestras de semiconductores, pero no para la observación de muestras de aislantes. Inspirado en el microscopio de efecto túnel (STM), el microscopio de fuerza atómica (AFM) se desarrolló en 1986. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 5. Se utiliza una punta de diamante para hacer una viga en voladizo hecha de película de SiO2 o película de Si3N4 (el tamaño de su sección transversal es de 100 μm × 1 μm y el coeficiente elástico es de 0,1 ~ 1 N/m. Hay un reflector especular láser). la viga. Cuando la distancia entre los átomos de la punta del diamante y los átomos de la superficie de la muestra es lo suficientemente pequeña, la fuerza de interacción entre los átomos hace que el haz voladizo se desplace y se desvíe en la dirección perpendicular a la superficie, provocando que el haz reflejado del incidente Láser para desviar, que es sensiblemente detectado por el sensor de desplazamiento fotoeléctrico. El microscopio de fuerza atómica es adecuado tanto para muestras de conductores como de aislantes, y su resolución alcanza los 0,01 mm (0,1 A). Puede medir las microfuerzas entre átomos y lograr una observación de la superficie a nivel atómico.

Basado en el principio del efecto túnel de luz, se puede construir un microscopio de túnel de luz utilizando detectores de fibra óptica, cerámicas piezoeléctricas, tubos fotomultiplicadores, sistemas de seguimiento y control de escaneo y microcomputadores. Puede detectar la topografía de la superficie de la muestra. En la física clásica, la luz se refleja totalmente dentro de una fibra óptica. En la física cuántica, la luz láser puede pasar de una fibra óptica a otra fibra óptica muy cercana a través del efecto túnel. El divisor óptico se realiza mediante el efecto túnel cuántico.

Los electrones tienen forma de partículas y ondas, por lo que se produce un efecto túnel. En los últimos años, se ha descubierto que algunas cantidades físicas macroscópicas, como la intensidad de magnetización de las micropartículas y el flujo magnético en dispositivos cuánticos coherentes, también muestran efectos de túnel, que se denominan efectos de túnel cuántico macroscópico. El efecto de tamaño cuántico y el efecto de túnel cuántico macroscópico serán la base de los futuros dispositivos microelectrónicos y optoelectrónicos, o establecerán el límite de una mayor miniaturización de los dispositivos microelectrónicos existentes. Cuando los dispositivos microelectrónicos se miniaturicen aún más, se deben considerar los efectos cuánticos anteriores.

Por ejemplo, cuando se fabrican circuitos integrados semiconductores, cuando el tamaño del circuito se acerca a la longitud de onda de los electrones, los electrones desbordan el dispositivo a través del efecto túnel, lo que hace que el dispositivo no funcione correctamente. El tamaño límite de un circuito clásico es de aproximadamente 0,25 micras. . El transistor túnel oscilador cuántico desarrollado actualmente es una nueva generación de dispositivos fabricados utilizando efectos cuánticos.

Diodo túnel

Un diodo túnel es un diodo semiconductor con características de resistencia negativa. En la actualidad, está compuesto principalmente de germanio o arseniuro de galio con una mayor concentración de dopaje. La relación cambiante entre corriente y voltaje es diferente a la de los diodos semiconductores generales. Cuando se aplica un voltaje positivo a un determinado polo, la corriente a través del tubo primero aumentará rápidamente a medida que aumenta el voltaje, pero después de que el voltaje alcanza un cierto valor, de repente se vuelve más pequeño y luego aumenta bruscamente después de alcanzar un cierto valor; si el voltaje aplicado es opuesto al anterior, y la corriente aumenta bruscamente a medida que aumenta el voltaje. Dado que esta relación cambiante sólo puede explicarse mediante el "efecto túnel" en la mecánica cuántica, se denomina diodo túnel. Dado que el "diodo Ezaki" tiene una resistencia negativa y el efecto túnel se produce extremadamente rápido, se puede utilizar en componentes de circuitos como oscilación, amplificación y conmutación de alta frecuencia, especialmente para aumentar la velocidad de cálculo de las computadoras electrónicas.

Efecto magnetorresistencia del gigante túnel

El descubrimiento de uniones de túneles superconductoras tiene un gran valor tanto a nivel teórico como experimental. Inspirado por esto, Julliere llevó a cabo una investigación pionera sobre las propiedades de transporte de las uniones de túneles magnéticos de Fe/Ge/Co y descubrió que la impedancia del túnel cambia con el estado de magnetización de la capa ferromagnética, y el cambio relativo en la conductancia a baja temperatura puede alcanzar 14. En 1975, se estudió el efecto de la magnetorresistencia en estructuras similares, pero no pudieron obtener un efecto de magnetorresistencia grande a temperatura ambiente. Impulsado por la ola mundial de investigación sobre el efecto GMR, en 1994 se logró un gran avance en la unión de túnel tipo "metal magnético/aislante no magnético/metal magnético" (FM/I/FM) Fe/Al2O3/Fe. A una temperatura baja de 4,2 K, la tasa de cambio de magnetorresistencia llega a 30 y a temperatura ambiente llega a 18. En esta estructura, si las direcciones de magnetización de las dos capas ferromagnéticas son paralelas, los electrones de la subbanda de espín mayoritaria en una capa ferromagnética entrarán en el estado vacío de la subbanda de espín mayoritaria en el otro electrodo, mientras que los electrones de la subbanda de espín minoritaria Los electrones también entrarán en el estado vacío de la subbanda de espín minoritario de un electrodo al otro electrodo. Si las direcciones de magnetización de los dos electrodos son antiparalelas, los espines de la subbanda mayoritaria en un electrodo son los mismos que los electrones de la subbanda de espín minoritario en el otro electrodo. Los espines son paralelos. De esta manera, durante el proceso de conductancia del túnel, los electrones de la subbanda de espín mayoritario en un electrodo deben encontrar el estado vacío de la subbanda de espín minoritario en el otro electrodo. su conductancia del túnel debe ser paralela a la dirección de magnetización de los dos polos. La conductancia es diferente, y el fenómeno de que la conductancia del túnel está relacionada con la dirección de magnetización del electrodo ferromagnético se denomina efecto de válvula de túnel magnético. Teóricamente, se supone que los electrones mantienen su dirección de giro sin cambios al cruzar la barrera aislante. En el proceso de preparación real, la capa ferromagnética adyacente se oxidará inevitablemente cuando se genere la capa de óxido, lo que dará como resultado la aparición de una capa delgada de óxido antiferromagnético. afecta el efecto de magnetorresistencia. Por lo tanto, los resultados experimentales son menores de lo esperado teóricamente. El modelo de Julliere da el cambio relativo en la resistencia de la válvula de túnel magnética, es decir, la magnetorresistencia del túnel (TMR) RTM es:

RTM=

Donde: ρ1 y ρ2 son dos ferromagnéticos La polarización de espín del electrodo. Obviamente, cuanto mayores sean ρ1 y ρ2, mayor será la TMR.

Debido a que los valores de ρ de Fe y Co son 40 y 34 respectivamente, el modelo de Julliere puede obtener 24 para Fe/I/Co, pero existe una cierta brecha entre el valor experimental de Fe/Ge /Co y el valor teórico. En la válvula de túnel magnético, la fuerza coercitiva de la capa ferromagnética superada por el campo magnético puede hacer que sus direcciones de magnetización giren hacia la dirección del campo magnético y se vuelvan consistentes. En este momento, el TMR es un valor mínimo si el campo magnético; se reduce a negativo, la coercitividad La dirección de magnetización de la capa ferromagnética con pequeña fuerza se invierte primero, las direcciones de magnetización de las dos capas ferromagnéticas son opuestas y la resistencia del túnel es un valor máximo. Dado que sólo se invierte una simple capa ferromagnética, sólo se necesita un campo externo muy pequeño para alcanzar el máximo de TMR, por lo que su sensibilidad al campo magnético es extremadamente alta. Las sensibilidades del campo magnético de Fe/Al2O3/Fe y CoFe/Al2O3 son 8/Oe y 5/Oe respectivamente.

Estos resultados están mucho más allá del alcance de la GMR de películas multicapa y la CMR de óxidos. Además, en la unión de túnel magnético, el valor de resistencia bajo campo cero se puede cambiar cambiando el espesor de la capa de óxido, pero el valor de resistencia de la unión de túnel magnético no cambia en consecuencia. Esto es difícil de lograr en películas metálicas multicapa. De esta manera, se pueden diseñar diferentes uniones de túnel magnético de acuerdo con los diferentes voltajes de activación de diferentes dispositivos. En el futuro, si se puede resolver el problema de la preparación estable de la capa de óxido y la oxidación de la capa ferromagnética durante el proceso de preparación, sus perspectivas de aplicación industrial son muy prometedoras. Además, si se pueden garantizar los medios técnicos, la preparación de uniones de túnel de oxidación multicapa puede obtener efectos físicos y valores de aplicación más ricos. Después del avance en el efecto de magnetorresistencia de las uniones de túneles, las personas se inspiraron en las películas de partículas y descubrieron efectos de alta magnetorresistencia en películas de partículas aislantes ferromagnéticas de Ni-SiO2, Co-SiO2, Fe-MgF2 y Fe-SiO2. Los experimentos muestran que el efecto de magnetorresistencia en este sistema está relacionado con el tamaño de las partículas magnéticas. El valor no es grande, el campo de saturación es alto y las perspectivas de aplicación pueden no ser grandes.

Efecto túnel cuántico macroscópico

Los átomos de varios elementos tienen líneas espectrales específicas. Por ejemplo, los átomos de sodio tienen líneas espectrales amarillas. Los modelos atómicos y la mecánica cuántica han utilizado el concepto de niveles de energía para proporcionar una explicación razonable. Cuando un sólido se compone de innumerables átomos, los niveles de energía de los átomos individuales se combinan para formar una banda de energía. La distancia entre los niveles de energía en la banda de energía es muy pequeña, por lo que puede considerarse continua. A partir de la teoría de la banda de energía, ha explicado con éxito las conexiones y diferencias entre metales a granel, semiconductores y aislantes. átomos, moléculas y sólidos a granel, las bandas de energía continua en materiales a granel se dividirán en niveles de energía discretos, el espacio entre los niveles de energía aumenta a medida que disminuye el tamaño de las partículas; Cuando la energía térmica, la energía del campo eléctrico o la energía del campo magnético es menor que el espaciado promedio de los niveles de energía, aparecerá una serie de características anormales que son completamente diferentes de los objetos macroscópicos, lo que se denomina efecto de tamaño cuántico. Por ejemplo, los metales conductores pueden convertirse en aislantes cuando se encuentran en partículas ultrafinas. El tamaño del momento magnético está relacionado con si el número de electrones en las partículas es par o impar. El calor específico también cambiará de manera anormal y las líneas espectrales. cambio a longitudes de onda cortas. Estas son manifestaciones macroscópicas cuánticas del efecto de tamaño. Por lo tanto, se deben considerar los efectos cuánticos para partículas ultrafinas en condiciones de baja temperatura, y las leyes macroscópicas originales ya no se cumplen.

Los electrones tienen forma de partículas y ondas, por lo que se produce un efecto túnel. En los últimos años, se ha descubierto que algunas cantidades físicas macroscópicas, como la intensidad de magnetización de las micropartículas y el flujo magnético en dispositivos cuánticos coherentes, también muestran efectos de túnel, que se denominan efectos de túnel cuántico macroscópico. El efecto de tamaño cuántico y el efecto de túnel cuántico macroscópico serán la base de los futuros dispositivos microelectrónicos y optoelectrónicos, o establecerán el límite de una mayor miniaturización de los dispositivos microelectrónicos existentes. Cuando los dispositivos microelectrónicos se miniaturicen aún más, se deben considerar los efectos cuánticos anteriores. Por ejemplo, cuando se fabrican circuitos integrados semiconductores, cuando el tamaño del circuito se acerca a la longitud de onda de los electrones, los electrones desbordan el dispositivo a través del efecto túnel, lo que hace que el dispositivo no funcione correctamente. El tamaño límite de un circuito clásico es de aproximadamente 0,25 micras. . El transistor túnel oscilador cuántico desarrollado actualmente es una nueva generación de dispositivos fabricados utilizando efectos cuánticos.

Inelástico significa que hay pérdida de energía, como agregar una fuerza de fricción.