メソスコピック物理学は、中間サイズの物質を扱う凝縮物質物理学の分野です。これらの物質のサイズは、原子の量（分子など）を表すナノスケールから、マイクロメートルの物質までの範囲です。[1]下限は、個々の原子のサイズと定義することもできます。ミクロスケールにはバルク材料があります。メソスコピック物体とマクロスコピック物体はどちらも多くの原子を含んでいます。マクロスコピック物体は、構成物質から得られる平均的な特性によって記述されますが、通常は古典力学の法則に従います。一方、メソスコピック物体は、平均値の周りの熱変動の影響を受け、その電子的挙動には量子力学のレベルでのモデル化が必要になる場合があります。[2] [3]

マクロ的な電子デバイスは、メソサイズまで縮小すると、量子力学的特性を示し始めます。例えば、マクロレベルでは、電線のコンダクタンスは直径とともに連続的に増加します。しかし、メソスコピックレベルでは、電線のコンダクタンスは量子化されます。つまり、増加は離散的、つまり個々の整数ステップで発生します。研究では、絶縁体、半導体、金属、超伝導体の物理学的理解を深めるために、メソスコピックデバイスを構築、測定、実験的および理論的に観察します。メソスコピック物理学の応用科学は、ナノデバイス構築の可能性を扱っています。

メソスコピック物理学は、半導体エレクトロニクスにおけるトランジスタの小型化のように、マクロな物体が小型化された際に生じる基本的な実用的問題にも取り組んでいます。物質の機械的、化学的、電子的特性は、そのサイズがナノスケールに近づくにつれて変化し、物質表面の原子の割合が重要になります。1マイクロメートルを超えるバルク材料の場合、表面の原子の割合は、物質全体の原子数に比べて取るに足らないものになります。この分野は主に、マイクロエレクトロニクス回路の製造に用いられる技術を用いて作製された金属または半導体材料の人工構造を扱っています。[2] [3]

メソスコピック物理学には厳密な定義はないが、研究対象となるシステムは通常100nm（典型的なウイルスの大きさ）から1000nm（典型的なバクテリアの大きさ）の範囲にある。100ナノメートルはナノ粒子のおおよその上限である。したがって、メソスコピック物理学はナノファブリケーションやナノテクノロジーの分野と密接な関係がある。ナノテクノロジーで使用されるデバイスは、メソスコピックシステムの例である。このようなシステムにおける新しい電子現象には、干渉効果、量子閉じ込め効果、および帯電効果の3つのカテゴリーがある。[2] [3]

量子閉じ込め効果

量子閉じ込め効果は、電子をエネルギーレベル、ポテンシャル井戸、価電子帯、伝導帯、および電子エネルギーバンドギャップの観点から説明します。

バルク誘電体材料（10 nm以上）中の電子は、エネルギーバンドまたは電子エネルギー準位で記述できます。電子は異なるエネルギー準位、つまりバンドに存在します。バルク材料では、これらのエネルギー準位はエネルギー差が無視できるため、連続していると説明できます。電子は様々なエネルギー準位で安定しますが、そのほとんどは禁制エネルギー準位（バンドギャップ）以下の価電子帯で振動します。この領域は、電子状態が存在しないエネルギー範囲です。禁制ギャップを超えるエネルギー準位を持つ電子はごくわずかで、これが伝導帯です。

量子閉じ込め効果は、粒子の直径が電子の波動関数の波長と同じ大きさになると観測できます。[4]物質がこのように小さい場合、その電子的および光学的特性はバルク物質の特性から大幅に逸脱します。[5] 物質がナノスケールに向かって小型化されると、閉じ込め寸法は自然に減少します。特性はバルクで平均化されず、したがって連続的ではなく、量子レベルにあるため離散的です。言い換えると、エネルギースペクトルは、バルク物質のように連続的ではなく、量子として測定される離散的になります。その結果、バンドギャップが形成され、エネルギーレベル間には小さく有限の隔たりが生じます。この離散的なエネルギーレベルの状態は、量子閉じ込めと呼ばれます。

さらに、量子閉じ込め効果は、2つの異なる半導体材料間のパターン化された界面に形成される孤立した電子の島から構成されます。電子は通常、量子ドットと呼ばれる円盤状の領域に閉じ込められます。これらの系における電子の閉じ込めは、前述のように、電磁放射との相互作用を大きく変化させます。[6] [7]

量子ドットの電子エネルギー準位は連続的ではなく離散的であるため、量子ドットに数個の原子を追加または削除するだけで、バンドギャップの境界が変化する。量子ドットの表面形状を変化させると、ドットの小ささと量子閉じ込め効果により、バンドギャップエネルギーも変化する。[6]

干渉効果

メソスコピック領域では、不純物などの欠陥による散乱が干渉効果を引き起こし、電子の流れを変調させます。メソスコピック干渉効果の実験的特徴は、物理量における再現可能な変動の出現です。例えば、ある試料のコンダクタンスは、実験パラメータの変動に応じて、一見ランダムな形で振動します。しかし、実験パラメータを元の値に戻すと、同じパターンが再現されることがあります。実際、観測されたパターンは数日間にわたって再現可能です。これらは普遍的なコンダクタンス変動として知られています。

時間分解メソスコピックダイナミクス

メソスコピックダイナミクスにおける時間分解実験：固体中の亀裂形成、相分離、液体状態または生物学的に関連する環境における急速な変動などの凝縮相ダイナミクスのナノスケールでの観察と研究。また、非結晶材料の超高速ダイナミクスのナノスケールでの観察と研究。[8] [9]

参考文献

  1. ^ Muller, M.; Katsov, K.; Schick, M. (2006年11月). 「生体膜と合成膜：粗視化記述から何が学べるか？」Physics Reports . 434 ( 5– 6): 113– 176. arXiv : cond-mat/0609295 . Bibcode :2006PhR...434..113M. doi :10.1016/j.physrep.2006.08.003. ISSN  0370-1573. S2CID  16012275.
  2. ^ abc 「科学技術辞典」。McGraw -Hill 科学技術用語辞典。McGraw -Hill Companies, Inc. 2003年。
  3. ^ abc 「メソスコピック物理学」マグロウヒル科学技術百科事典、マグロウヒル・カンパニーズ、2005年。Answers.com、2010年1月25日。http://www.answers.com/topic/mesoscopic-physics-1
  4. ^ Cahay, M (2001).量子閉じ込めVI：ナノ構造材料とデバイス：国際シンポジウム議事録. Cahay, M., 電気化学協会. ペニントン、ニュージャージー州：電気化学協会. ISBN 978-1-56677-352-2. OCLC  49051457。
  5. ^ Hartmut, Haug; Koch, Stephan W. (1994).半導体の光学的および電子的特性の量子論（第3版）. シンガポール: World Scientific. ISBN 978-981-02-2002-0OCLC  32264947 。
  6. ^ ab 量子ドット Archived 2010-02-01 at the Wayback Machine . 2008 Evident Technologies, Inc.
  7. ^ Sánchez D, Büttiker M (2004). 「非線形メソスコピック輸送における磁場非対称性」. Phys. Rev. Lett . 93 (10) 106802. arXiv : cond-mat/0404387 . Bibcode :2004PhRvL..93j6802S. doi :10.1103/PhysRevLett.93.106802. PMID:  15447435 . S2CID  :11686506.
  8. ^ Barty, Anton; et al. (2008-06-22). 「ナノスケールダイナミクスの超高速シングルショット回折イメージング」Nature Photonics . 2 (7): 415–419 (2008). Bibcode :2008NaPho...2..415B. CiteSeerX 10.1.1.712.8451 . doi :10.1038/nphoton.2008.128.  
  9. ^ 「研究により超高速タイムスケールでの画像取得に成功」Science Online. Facts On File, Inc. United Press International. 2008年6月25日. p. 01. オリジナル（本研究はNature Photonics誌オンライン版に掲載）より2020年11月27日にアーカイブ。2010年1月25日閲覧。