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: (энергия «основного состояния» с самым низким значением), , ... (см. квантовый гармонический осциллятор). Одним из следствий этого квантования является то, что классическая формула для расчёта электрического сопротивления провода:
недействительна для квантового провода (где: — удельное сопротивление, — длина, — 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.
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.
С апреля 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.
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .