de.wedoany.com-Bericht: Der nationale Spitzenwissenschaftler, leitende Wissenschaftler des nationalen Schlüsselforschungsprogramms und Professor der Beihang-Universität, Zhou Miao, erläutert auf populärwissenschaftliche Weise die zentrale Rolle des Quantentunneleffekts in der modernen Industrietechnologie. Quantentunneln bezeichnet das quantenphysikalische Phänomen, bei dem mikroskopische Teilchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit direkt durch eine Barriere hindurchtreten, selbst wenn ihre Energie nicht ausreicht, um diese zu überwinden. Dieser Effekt ist eine wichtige physikalische Grundlage für Halbleiter, Mikroskope und präzise elektronische Bauteile.
Die Eigenschaften des Quantentunnelns umfassen drei Aspekte. Erstens: Trotz unzureichender Energie kann eine Barriere durchdrungen werden; es besteht eine Durchtrittswahrscheinlichkeit, selbst wenn die Teilchenenergie unter der Barrierenhöhe liegt. Je dünner die Barriere und je geringer die Energiedifferenz, desto höher die Tunnelwahrscheinlichkeit. Zweitens: Das Tunneln ist ein zufälliges Wahrscheinlichkeitsereignis, das nicht präzise vorhergesagt werden kann; es lässt sich nur die statistische Gesamtdurchtrittswahrscheinlichkeit angeben. Drittens unterscheidet sich der Tunnelprozess von der klassischen Bewegung; die Teilchen werden durch die Ausdehnung der Wellenfunktion und die Wahrscheinlichkeitsverteilung auf der anderen Seite der Barriere beobachtet, ohne eine kontinuierliche Bewegungsbahn.
Tunneldioden nutzen den Elektronen-Tunneleffekt, um spezielle Leitungseigenschaften zu erzielen. Sie wurden früher häufig in Radios, Spannungsregelschaltungen und Hochfrequenz-Schaltelementen eingesetzt und waren Kernkomponenten der frühen Elektronikindustrie. Das Rastertunnelmikroskop basiert auf dem Elektronentunneln zwischen der Spitze und der Probenoberfläche, um Stromänderungen zu erfassen. Es ermöglicht die Erstellung atomar aufgelöster Oberflächenbilder und treibt die Entwicklung von Nanomaterialien und der Physik kondensierter Materie voran. Das Schreiben und Löschen von Daten in Flash-Speichern beruht auf dem Elektronentunneln in der Floating-Gate-Struktur für den Ladungstransport, was Chips mit großer Speicherkapazität ermöglicht.
Im Bereich der Chipentwicklung können Einzelelektronentransistoren auf Basis kontrollierbarer Tunneltechnologie durch die kontrollierbare Fähigkeit von Elektronen, Barrieren zu durchdringen, die Entwicklung von Chipkomponenten in Richtung kleinerer Abmessungen, höherer Integrationsdichte und geringerem Stromverbrauch vorantreiben. Im Bereich der Präzisionsdetektion ist der Tunnelstrom äußerst empfindlich gegenüber Veränderungen der äußeren Umgebung. Dies kann zur Herstellung von hochpräzisen, nicht-invasiven Überwachungsgeräten, flexiblen Mikrosensoren und Navigationsgeräten genutzt werden, die unabhängig von GPS-Signalen sind. Im Bereich des Quantencomputings ist das Quantentunneln ein wichtiger physikalischer Mechanismus in einigen Hardwarekomponenten. Durch präzise Steuerung des Tunnelzeitpunkts und -pfads kann es helfen, kontrollierbare Quantenzustände und Quantenbauelemente aufzubauen und so die Stabilität, Kontrollierbarkeit und Integrationsdichte von Quantencomputersystemen zu verbessern.
