Física mesoscópica - Mesoscopic physics

A física mesoscópica é uma subdisciplina da física da matéria condensada que lida com materiais de tamanho intermediário. Esses materiais variam em tamanho entre a nanoescala de uma quantidade de átomos (como uma molécula ) e de materiais medindo micrômetros. O limite inferior também pode ser definido como sendo o tamanho dos átomos individuais. No nível do micrômetro estão os materiais a granel. Os objetos mesoscópicos e macroscópicos contêm muitos átomos. Enquanto as propriedades médias derivadas de seus materiais constituintes descrevem objetos macroscópicos, visto que geralmente obedecem às leis da mecânica clássica , um objeto mesoscópico, por outro lado, é afetado por flutuações térmicas em torno da média, e seu comportamento eletrônico pode exigir modelagem no nível quântico mecânica .

Um dispositivo eletrônico macroscópico, quando reduzido a um tamanho meso, começa a revelar propriedades da mecânica quântica. Por exemplo, no nível macroscópico, a condutância de um fio aumenta continuamente com seu diâmetro. Porém, no nível mesoscópico, a condutância do fio é quantizada : os aumentos ocorrem em etapas discretas, ou individuais, inteiras. Durante a pesquisa, dispositivos mesoscópicos são construídos, medidos e observados experimentalmente e teoricamente a fim de avançar no entendimento da física de isoladores , semicondutores , metais e supercondutores . A ciência aplicada da física mesoscópica lida com o potencial de construção de nanodispositivos.

A física mesoscópica também aborda problemas práticos fundamentais que ocorrem quando um objeto macroscópico é miniaturizado, como acontece com a miniaturização de transistores na eletrônica de semicondutores . As propriedades mecânicas, químicas e eletrônicas dos materiais mudam conforme seu tamanho se aproxima da nanoescala , onde a porcentagem de átomos na superfície do material se torna significativa. Para materiais a granel maiores que um micrômetro, a porcentagem de átomos na superfície é insignificante em relação ao número de átomos em todo o material. A subdisciplina tratou principalmente de estruturas artificiais de metal ou material semicondutor que foram fabricadas pelas técnicas empregadas para a produção de circuitos microeletrônicos .

Não existe uma definição rígida para a física mesoscópica, mas os sistemas estudados estão normalmente na faixa de 100 nm (o tamanho de um vírus típico ) a 1 000 nm (o tamanho de uma bactéria típica): 100 nanômetros é o limite superior aproximado para um nanopartícula . Assim, a física mesoscópica tem uma conexão estreita com os campos da nanofabricação e da nanotecnologia . Dispositivos usados em nanotecnologia são exemplos de sistemas mesoscópicos. Três categorias de novos fenômenos eletrônicos em tais sistemas são efeitos de interferência, efeitos de confinamento quântico e efeitos de carga.

Efeitos de confinamento quântico

Os efeitos de confinamento quântico descrevem os elétrons em termos de níveis de energia, poços de potencial , bandas de valência , bandas de condução e lacunas de banda de energia de elétrons .

Os elétrons em materiais dielétricos em massa (maiores que 10 nm) podem ser descritos por bandas de energia ou níveis de energia de elétrons. Os elétrons existem em diferentes níveis de energia ou bandas. Em materiais a granel, esses níveis de energia são descritos como contínuos porque a diferença de energia é insignificante. À medida que os elétrons se estabilizam em vários níveis de energia, a maioria vibra em bandas de valência abaixo de um nível de energia proibido, denominado band gap . Esta região é uma faixa de energia na qual não existe nenhum estado de elétron. Uma quantidade menor possui níveis de energia acima da lacuna proibida, e esta é a banda de condução.

O efeito de confinamento quântico pode ser observado uma vez que o diâmetro da partícula é da mesma magnitude que o comprimento de onda da função de onda do elétron . Quando os materiais são tão pequenos, suas propriedades eletrônicas e ópticas divergem substancialmente daquelas dos materiais a granel. À medida que o material é miniaturizado em escala nanométrica, a dimensão confinante diminui naturalmente. As características não são mais calculadas em massa e, portanto, contínuas, mas estão no nível dos quanta e, portanto, são discretas. Em outras palavras, o espectro de energia se torna discreto, medido como quanta, ao invés de contínuo como em materiais a granel. Como resultado, o bandgap se afirma: há uma pequena e finita separação entre os níveis de energia. Esta situação de níveis de energia discretos é chamada de confinamento quântico .

Além disso, os efeitos de confinamento quântico consistem em ilhas isoladas de elétrons que podem ser formadas na interface padronizada entre dois materiais semicondutores diferentes. Os elétrons normalmente estão confinados a regiões em forma de disco chamadas de pontos quânticos . O confinamento dos elétrons nesses sistemas muda sua interação com a radiação eletromagnética significativamente, como observado acima.

Como os níveis de energia do elétron dos pontos quânticos são discretos, em vez de contínuos, a adição ou subtração de apenas alguns átomos ao ponto quântico tem o efeito de alterar os limites do bandgap. Mudar a geometria da superfície do ponto quântico também muda a energia do bandgap, novamente devido ao pequeno tamanho do ponto e aos efeitos do confinamento quântico.

Efeitos de interferência

No regime mesoscópico, o espalhamento de defeitos - como impurezas - induz efeitos de interferência que modulam o fluxo de elétrons. A assinatura experimental dos efeitos de interferência mesoscópica é o aparecimento de flutuações reproduzíveis em quantidades físicas. Por exemplo, a condutância de um determinado corpo de prova oscila de maneira aparentemente aleatória em função das flutuações dos parâmetros experimentais. No entanto, o mesmo padrão pode ser reconstituído se os parâmetros experimentais voltarem aos seus valores originais; na verdade, os padrões observados são reproduzíveis ao longo de alguns dias. Estas são conhecidas como flutuações de condutância universal .

Dinâmica mesoscópica resolvida pelo tempo

Experimentos resolvidos no tempo em dinâmica mesoscópica: a observação e estudo, em nanoescalas, de dinâmica de fase condensada , como formação de fissuras em sólidos, separação de fases e flutuações rápidas no estado líquido ou em ambientes biologicamente relevantes; e a observação e estudo, em nanoescalas, da dinâmica ultrarrápida de materiais não cristalinos.

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Referências

links externos

Beenakker, Carlo (1995). "Chaos in Quantum Billiards" (PDF) . Universiteit Leiden . Página visitada em 14 de junho de 2018 .
Harmans, C. (2003). "Física mesoscópica: uma introdução" (PDF) . OpenCourseWare TU Delft . Página visitada em 14 de junho de 2018 .
Jalabert, Rodolfo A. (2016). "Transporte mesoscópico e caos quântico". Scholarpedia . 11 (1): 30946. arXiv : 1601.02237 . Bibcode : 2016SchpJ..1130946J . doi : 10.4249 / scholarpedia.30946 .

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