Квантовый провод

В физике конденсированного состояния квантовый провод — это электропроводящий провод, в котором квантовые эффекты оказывают влияние на явления переноса. Из-за квантовых ограничений на электроны проводимости в поперечном направлении провода, их поперечная энергия квантуется на ряд дискретных значений: $E_0$ (энергия «основного состояния» с самым низким значением), $E_1$, ... (см. квантовый гармонический осциллятор). Одним из следствий этого квантования является то, что классическая формула для расчёта электрического сопротивления провода:

$R=\rho{l \over A}$

недействительна для квантового провода (где: $\rho$ — удельное сопротивление, $l$ — длина, $A$ — площадь поперечного сечения провода).

Вместо этого для расчёта сопротивления провода должен быть проведён точный расчёт поперечной энергии электронов в ограниченном пространстве. Из-за дискретности значений энергии электронов, рассчитанное сопротивление также будет квантоваться.

Влияние квантовых эффектов и значимость квантования возрастает обратно пропорционально диаметру нанопровода для данного материала. Если сравнивать различные материалы, то значимость квантования зависит от его электронных свойств, в особенности от эффективной массы электронов. Проще говоря, это означает, что значимость будет зависеть от того, как электроны проводимости взаимодействуют с атомами внутри данного материала. На практике полупроводники начинают проявлять чёткое влияние квантования проводимости при достаточно больших поперечных размерах провода (100 нм), так как электронные уровни у них возрастают из-за пространственных ограничений уже при таких параметрах. В результате фермиевская длина волны электронов увеличивается, и возникает расщепление на энергетические уровни с достаточно низкой энергией. Это означает, что они могут возникнуть только при криогенных температурах (несколько градусов по Кельвину), когда тепловая энергия возбуждения ниже, чем энергия переходов между состояниями.

Углеродные нанотрубки в качестве квантовых проводов

Квантовые провода можно сделать из металлических углеродных нанотрубок, по крайней мере ограниченной длины. Преимущества проводов из углеродных нанотрубок состоят в их высокой электропроводности (в связи с высокой подвижностью электронов), лёгком весе, малом диаметре, низкой химической активности и высокой прочности на растяжение. Основным недостатком (по состоянию на 2005 г.) является их высокая стоимость.

Утверждается, что можно создать и макроскопические квантовые провода. В нитях из углеродных нанотрубок нет необходимости каждому отдельному волокну проходить по всей длине провода, поскольку квантовое туннелирование электронов создаст туннельные переходы от жилы к жиле. Это свойство делает квантовые провода весьма перспективными для коммерческого использования.

В апреле 2005 года NASA инвестировала $11 млн в течение четырех лет в университет Уильяма Райса на разработку квантового провода с проводимостью в 10 раз выше, чем у меди, а по весу в шесть раз легче. Эти свойства могут быть достигнуты с помощью углеродных нанотрубок. В случае появления таких материалов они позволят снизить вес следующего поколения Спейс шаттла. Они также найдут и другие применения.

См. также

• Квантовая яма
• Квантовая точка

Ссылки

• Созданы "квантовые провода"
• Wired: - NASA Funds 'Miracle Polymer' (англ.)
• Effective mass Quantum Wire transport simulation and interactive visualization on nanoHUB.org (англ.)