Юрий Сергеевич Нагорнов - 101 вопрос о нанотехнологиях

сверхбыстродействующей памяти
терабитных объемов, полностью автономных нанороботов и многое другое.

7

Вопрос 5. Что такое «квантовая» физика?
Уникальность нанообъектов во многом определяется тем, что при размерах 100 нм и
менее становятся существенными их волновые свойства, которые следуют из квантовых
представлений о поведении частиц. Классическая физика рассматривает частицы и волны
как различные компоненты «физической реальности», воспринимаемой нашими
органами чувств. Механика частиц и волновая оптика традиционно считаются
самостоятельными и не перекрывающимися разделами физики, основанными на своих
фундаментальных законах. Но воспринимаемая нами в повседневности физическая
реальность обусловлена явлениями, которые происходят в макромире. Так, прохождение
электромагнитных волн через препятствия объясняется интерференцией и дифракцией,
хорошо изученными волновыми явлениями. Электроны мы считаем частицами,
поскольку они обладают зарядом и массой, их поведение в электронно-лучевой трубке,
кинескопе телевизора и других электронно-вакуумных приборах достаточно хорошо
описывается законами классической механики. Между тем, физическая реальность в
микромире электронов и ядер, атомов и молекул входит в противоречие с нашим
повседневным опытом восприятия и объяснения физических процессов и явлений. По
мере развития физики микромира появляется все большее количество фактов,
указывающих на то, что электромагнитные волны ведут себя как поток частиц, а
движущиеся электроны проявляют волновые свойства.
Днем рождения квантовой физики можно считать 14 декабря 1900 года, когда Макс
Планк в докладе, посвященном проблеме излучения нагретых тел, сообщил, что ему
удалось решить эту проблему на основе довольно необычного с точки зрения
классической физики предположения о квантовом характере излучения. Планк
предположил, что нагретое тело представляет собой систему одинаковых атомных
осцилляторов (колеблющихся атомов), которые излучает энергию не непрерывно, а
конечными порциями – квантами. Хотя выведенная Планком формула удивила и
поразила его коллег – физиков, принятые им квантовые допущения долгое время для
многих оставались непонятными, так как противоречили классической физике. Тем не
менее, именно слово «квант» дало название новому ее разделу – квантовой механике,
которая стала основой развивающихся атомной и ядерной физики,
микро- и
наноэлектроники.
Вопрос 6. Что такое квантовая точка, яма, нить?
Нанотехнологии имеют дело с материалами размером менее 100 нм в каком-либо
направлении x, y, z или во всех сразу. Если ограничение по размерам происходит во всех
направлениях, такой объект называют квантовой точкой (рис.1). Если только в двух
направлениях – квантовой нитью, проволокой, трубкой или ленточкой. Если только в
одном направлении, то квантовой ямой. Как видно, из названий «квантовая точка»,
«квантовая нить», «квантовая яма» самым важным является квантовый характер этих
объектов. Сама приставка «нано» указывает лишь на малый размер, с которого начинают
проявляться квантовые эффекты.
8

а)

б)
Рис. 1. Квантовая точка InAs размером 80 на 80 нм (а)
и квантовые ленточки (б) на изображении размером 8 на 8 мкм.
Изображения взяты с сайта www.ntmdt.ru
Вопрос 7. Что такое фотон?
В 1905 году основываясь на выдвинутой Планком идее квантования, Альберт
Эйнштейн предположил, что квантовые свойства света проявляются не только при
испускании, но и в процессе его распространения и поглощения веществом. Согласно
этой гипотезе, свет можно представить в виде потока частиц, получивших название
фотонов. Фотоны не могут находиться в состоянии покоя и движутся со скоростью
света, которая в вакууме равна величине с = 3 ⋅108 м/с. При этом фотоны обладают
энергией, которая дается выражением
ε = hω = 2π hc / λ ,
ф

где h = h / 2π , величина h = 6,62×10−34 Дж·с получила название постоянной
Планка,
ω - частота, равная 2πс/λ.
Для фотона, как и для любой материальной частицы, можно определить массу. Так
как фотон имеет скорость c , то масса покоя фотона должна быть равна нулю. Используя
известную формулу Эйнштейна E = mc 2 , определяющую связь полной энергии частицы
с ее массой, для фотона можно записать m c 2 = hω , откуда m = hω / с 2 . Фотон,
ф

ф

обладая массой и скоростью, должен иметь и импульс, величина --">