TUNNELERING. - eit viktig kvantemekanisk fenomen

Like dokumenter
TUNNELERING. - eit viktig kvantemekanisk fenomen

FY1006/TFY Løysing øving 5 1 LØYSING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensial

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

Atomstruktur. Ein diskusjon av hovudpunkta frå YF 41.3, 41.5, 41.6.

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løysingsforslag for øving 13

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

Energiband i krystallar

Løysingsframlegg øving 1

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: August 6, r L2. r r. h 2 r 2 ) sin 2 θ φ.

j 4 j n 1 x/2 1/2 exp x

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

Ein par(kkel i 3 dimensjonar

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Lys. Bølger. Partiklar Atom

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Lys. Bølger. Partiklar Atom

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Løysingsframlegg prøveeksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

TFY4215_S2018_Forside

Hvordan ser kjernen ut?

TFY Løsning øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensialer

Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

Energiband i krystallar. Halvleiarar (intrinsikke og ekstrinsikke) Litt om halvleiarteknologi

UNIVERSITETET I OSLO

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 1 av 8

Kollokvium 4 Grunnlaget for Schrödingerligningen

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 8. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

Frå klassisk mekanikk til kvantemekanikk: Litt bakgrunn/historie

ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar. h2 + V (x). (0.1) 2m dx 2

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Kvantekraft. L x. L 2 x. = A sin n xπx. sin n yπy. 2 y + 2.

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

1 Stokastisk variabel

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag Oblig 7

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 9

Halvlederstrukturer og resonant tunnelering. Semesteroppgave i FY1303 elektrisitet og magnetisme. Stine Mette Ersvik og Anne Røssevold

A) λ < 434 nm B) λ < 534 nm C) λ < 634 nm D) λ < 734 nm E) λ < 834 nm

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 6 1 ØVING 6. Fermi-impulser og -energier

Kapittel 21 Kjernekjemi

ORDINÆR EKSAMEN Sensur faller innen

B.4 Spredning i én dimensjon

( ) Masse-energiekvivalens

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Onsdag og fredag

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Hausten 2013

FYS2140 Kvantefysikk, Hjemmeeksamen V Leveringsfrist fredag 20. mars kl.14:45 (før ekspedisjonen stenger!!!)

FYSIKK-OLYMPIADEN

FY1006/TFY Øving 12 1 ØVING 12. Vinkelfunksjonar, radialfunksjonar og orbitalar for hydrogenliknande. Y lm ; l = 0, 1, ; m = l,, l.

Fasit for Midtvegsprøva i Fys1000 V 2009

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 2 1 LØYSING ØVING 2. a) For grunntilstanden for den harmoniske oscillatoren har vi

FYS1120 Elektromagnetisme, vekesoppgåvesett 9 Løsningsforslag

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFY 4102 FYSIKK

TFY4108 Fysikk: Løysing kontinuasjonseksamen 13. aug. 2014

1 Leksjon 8 - Kjerneenergi på Jorda, i Sola og i stjernene

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

Lys, materie og kvantemekanikk. Kvinnherad senioruniversitet, 27 april 2011

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

Å løyse kvadratiske likningar

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014 Løsningsforslag

5:2 Tre strålingstyper

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

Fem geometriproblem frå arkitekturen

Laboratorieøvelse 2 N

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

5:2 Tre strålingstyper

UNIVERSITETET I OSLO

Håndbok om. undersøkelser. Liv Oddrun Voll Gard Ove Sørvik Suzanna Loper

LØYSINGSFORSLAG, eksamen 20. mai 2015 i fag TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 v. Ivar S. Ertesvåg, mai 2015/sist revidert 9.juni 2015.

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Transkript:

TUNNELERING - eit viktig kvantemekanisk fenomen

Tunnelering Ein kvantemekanisk partikkel kan vere i stand til å passere ein potensialbarriere sjølv om partikkelenergien er mindre enn høgda til barrieren! Viktig i forskjellige fenomen og for teknologisk bruk (f.eks. alfa-desintegrasjon og sveipe-tunnelerings-mikroskopi)

Rektangulær barriere U() U Partikkel med total energi E kjem inn frå venstre Klassisk fysikk: Dersom E < U vil partikkelen sprette tilbake frå barrieren ( null transmisjon, T = 0) Dersom E > U vil partikkelen passere barrieren ( fullstendig transmisjon, T = 1)

U() U Rektangulær barriere Partikkel med total energi E kjem inn frå venstre Kvantefysikk: Dersom E < U har partikkelen sannsynlegheit > 0 for å passere barrieren (transmisjon T > 0): tunnelering Dersom E > U har partikkelen (generelt) sannsynlegheit > 0 for å sprette tilbake frå barrieren (transmisjon T < 1) Begge resultata strir mot klassisk fysikk

U() Transmisjon gjennom rektangulær barriere U = 0 = L Løys tids-uavhengig Schrodingerlikning (TUSL) for å finne dei stasjonære tilstandene (desse er delokaliserte og ikkje normaliserbare, men kan evt. brukast til å konstruere lokaliserte normaliserte bølgjepakkar) Strategi: 1. Løys TUSL i kvar av dei 3 regionane med konstant U() 2. Skøyt løysingane saman på grensene mellom regionane Sjå på partikkel med vilkårleg totalenergi < 0 og > L: partikkelen er fri som kjem inn frå venstre (ingen reflektert del)

Transmisjon gjennom rektangulær barriere U() Partikkel med total energi kjem inn frå venstre U Innkommande: Reflektert: Transmittert: = 0 = L Refleksjonskoeffisient: Transmisjonskoeffisient: Bevaring av sannsynlegheit:

Transmisjon gjennom rektangulær barriere (E < U) U() Sjå på partikkel med energi E < U U Innkommande: Reflektert: Transmittert: = 0 = L Krev kontinuitet av y og dy/d ved = 0 og = L Dette gir 4 likningar Har også 4 ukjende: B, C, D, F (E og U er gjevne, og A kan veljast vilkårleg sidan tilstanden ikkje er normaliserbar)

Dei 4 likningane er: Løys likningssettet, finn refleksjonskoeffisienten Resultat for transmisjonskoeffisienten T(E) = 1 R(E): (gyldig for E < U )

Eigenskapar til transmisjonskoeffisienten T: Forskjellig fra 0! Partikkelen tunnelerer gjennom barrieren med sannsynlegheit T Monotont veksande funksjon av E frå E = 0 til E = U (med T = 0 for E = 0) 0 når massen m uendeleg (klassisk grense) [for fiksert E] 0 når U uendeleg (uendeleg høg barriere) 0 når lengda L uendeleg (uendeleg vid barriere) og 1 når L 0 T varierer ekstremt raskt med barrierelengda L Eksempel: Estimer transmisjonskoeffisienten for tunnelering av elektron med energi 7 ev gjennom eit oksidlag som separerer to kopartrådar. Ved å modellere oksidlaget som ein rektangulær barriere med høgde 10 ev finn ein at Barrierelengde L = 5 nm gir T=0.96 10-38 L = 1 nm gir T=0.66 10-7!! Sjå på PhET demo av tunnelering

Transmisjon gjennom rektangulær barriere (E > U) U() Vi ser no på ein partikkel med energi E > U U Innkommande: Reflektert: Transmittert: = 0 = L No tek bølgjefunksjonane planbølgjeform i alle 3 regionane. Bølgjevektorane er Løys som vanleg, gir transmisjonskoeffisient (E > U) T(E) < 1 generelt (i motsetnad til klassiske partiklar) T(E) = 1 for KL = np (n =1,2, ) ( transmisjonsresonans ) (utforsk med PhET demo)

Eksempel på tunnelering: I. Feltemisjon Elektron kan forlate eit metall pga. tunnelering frå ei metalloverflate gjennom ein triangulær barriere skapt av eit eksternt elektrisk felt Kan brukast til å få informasjon om overflata, sidan graden av tunnelering er veldig sensitiv til lokale detaljar i overflata Brukt i sveipe-tunnelerings-mikroskop Skjematisk: Metall Uniformt elektrisk felt

0 Tilhøyrande potensiell energi U() = 0 E -U Inne i metallet ( < 0) : U() = - U Utanfor metallet ( > 0): U() = - e e (e er det elektriske feltet) Elektron kan tunnelere ut av metallet gjennom den triangulære barrieren (utan det elektriske feltet ville ein hatt ein uendeleg lang rektangulær barriere med høgd U, tunnelering ville da ha vore umogeleg)

Sveipe-tunnelerings-mikroskopet (scanning tunneling microscope, STM) Gjer bruk av feltemisjon Nobelpris i fysikk 1986 Ein ekstremt tynn metalltipp skannar langs ei materialoverflate Ved å måle tunneleringsstraumen kan ein bestemme avstanden til overflata (straumen minkar essensielt eksponensielt med denne avstanden) Gir bilete av elektrontettleiksfordelinga på overflata, oppløysing på atomnivå! STM-bilete av gulloverflate

Eksempel på tunnelering: II. Alfa-desintegrasjon Alfa-desintegrasjon: Radioaktiv prosess som involverer emisjon av a-partiklar (heliumkjernar) frå visse atomkjernar Atomkjerne a-partikkel energi Halveringstid 212 84 Po 8.95 MeV 2.98 10-7 sekund 240 96 Cm 6.40 MeV 27 dagar 226 88 Ra 4.90 MeV 1.60 10 3 år 232 90 Th 4.05 MeV 1.41 10 10 år Skuldast tunnelering av a-partiklar ut av atomkjernen gjennom potensialbarriere (sjå figur) Vanleg at a-partikkel-energiar kan variere med ~ faktor 2, mens den tilhøyrande halveringstida t varierer med ~ faktor 10 24!! Dette er ein konsekvens av at tunneleringa avheng ekstremt sensitivt av energien E R r

U() U Resonant tunnelering Partikkel med energi E kjem inn frå venstre Transmisjonskoeffisienten T(E) har maksima når E er lik energien til ein kvasi-bunden tilstand inne i brønnen: Resonant tunnelering Blir brukt i apparat ( devices ) laga frå halvleiar-heterostrukturar (f.eks. resonant-tunneling dioder) (Utforsk med PhET demo)