Быстрее света? Квантовая иллюзия туннелирования

Квантовое туннелирование, эффект Хартмана и физика аттосекундных интервалов показывают, как электроны пересекают барьеры быстрее, чем позволяет интуиция, не нарушая при этом теорию относительности. Узнайте, как резонансные диоды, джозефсоновские переходы и сканирующие туннельные микроскопы используют это запрещённое явление для определения пределов возможностей электроники будущего. В этом видео объясняется, как квантовое туннелирование превращает учебникный «запретный путь» в основу реальной наноэлектроники. Вместо того, чтобы всегда отскакивать от энергетического барьера, электрон, описываемый волной, может просачиваться через тонкую область материала с небольшой, но конечной вероятностью оказаться по ту сторону. В нанометровых масштабах этот процесс становится достаточно быстрым, чтобы иметь технологическое значение, и достаточно странным, чтобы бросить вызов нашей интуиции, особенно в случае эффекта Хартмана, где кажущееся время туннелирования практически не увеличивается даже с увеличением толщины барьера. Затем лекция связывает эту странную физику с реальными устройствами: резонансными туннельными диодами со сверхбыстрым переключением, флэш-памятью, использующей туннелирование электронов через несколько атомных слоёв оксида, и сканирующими туннельными микроскопами, которые распознают отдельные атомы, поскольку ток резко меняется при перемещении острия на малую долю ангстрема. Также показано, как туннелирование лежит в основе сверхпроводящих переходов, квантовых каскадных лазеров и одноэлектронных транзисторов, и как аттосекундные лазерные импульсы позволяют нам исследовать туннельные явления в кратчайшие сроки, доступные природе, при этом соблюдая правило Эйнштейна о том, что никакая информация не распространяется быстрее света. В этом видео рассматриваются: Почему классические частицы не могут преодолевать энергетические барьеры, а квантовые — иногда да. Как электроны описываются волновыми функциями, которые частично проникают сквозь барьеры и просачиваются сквозь них. Как вероятность туннелирования существенно зависит от толщины и высоты барьера в нанометровом масштабе. Эффект Хартмана, при котором время туннелирования достигает насыщения и, по-видимому, обеспечивает «сверхсветовые» эффективные скорости. Почему это не нарушает теорию относительности и не допускает сверхсветовую связь. Конкретный пример туннелирования через сверхтонкие слои оксида кремния, используемые в электронике. Резонансные туннельные диоды: двухбарьерные структуры с острыми пиками пропускания и сверхбыстрым переключением. Как ячейки флэш-памяти используют туннельные токи через тонкие оксидные слои затвора для записи и стирания информации. Сканирующая туннельная микроскопия: использование туннельного тока для визуализации и манипулирования отдельными атомами. Концептуальная загадка «времени туннелирования» и различные способы его определения и измерения в физике. Современные туннельные устройства: туннельные полевые транзисторы, джозефсоновские переходы, квантовые каскадные лазеры, одноэлектронные Транзисторы Практические ограничения, связанные с декогеренцией, колебаниями решетки и температурой, на скорость и чистоту туннелирования Как аттосекундные лазерные импульсы и эксперименты с накачкой и зондированием напрямую отслеживают туннелирование в реальном времени Временные метки: 00:00 — Введение: туннелирование и, казалось бы, «запрещенный» путь через барьеры 00:31 — Классическое отражение против квантового туннелирования 01:03 — Волновые функции и просачивание вероятности через барьеры 02:04 — Как толщина и высота барьера влияют на вероятность туннелирования 03:07 — Эффект Хартмана и насыщенное время туннелирования 04:45 — Почему относительность и причинно-следственная связь остаются неизменными 05:10 — Пример: электроны, туннелирующие через тонкие слои оксида кремния 06:13 — Резонансные туннельные диоды и структуры с двумя барьерами 07:45 — Ячейки флэш-памяти и хранение данных на основе туннелирования 08:40 — Сканирующие туннельные микроскопы и визуализация в атомном масштабе 09:30 — Дискуссия о том, как определить и интерпретировать время туннелирования 10:45 — Квантовое туннелирование в транзисторах с тангенциальным резонансом (TFET), джозефсоновских переходах и квантовых каскадных лазерах 12:15 — Декогеренция, несовершенства материалов и предельные скорости 13:45 — Измерение туннелирования с помощью аттосекундных лазерных импульсов #КвантовоеТуннелирование #ЭффектХартмана #РезонансноеТуннелирование #КвантовыеУстройства #ДжозефсоновскийПереход #СканирующаяТуннельнаяМикроскопия