Юный квантовый механик — виртуальный конструктор

Все мы, конечно же, помним завалявшуюся со времен детства где то на антресолях коробочку с фотонами от учебного набора «Юный квантовый механик».


Коробок с фотонами, известный каждому

Но сейчас, в век прогрессивных виртуальных технологий уже не нужно самому руками мастерить коробку, искать радиоактивный элемент и выманивать испуганного кота из-под дивана для проведения классического опыта по квантовой механике. Сегодня нашел интересный ресурс по нано-технологиям, который содержит онлайн эмуляции всевозможных процессов, так или иначе связанных с микро- и нано-электроникой. Речь идет о портале http://nanohub.org. Для полноценной работы необходимо зарегистрироваться, это бесплатно, после чего в разделе Resourses/Tools вы можете опробовать один из множества симуляторов.

Так, например, можно посмотреть на зависимость коэффициента прохождения при резонансном туннелировании электронов через ряд потенциальных барьеров.


Резонансное туннелирование

Вы сами устанавливаете число барьеров, их параметры, затем после нажатия кнопки Simulate и некоторого времени появляется график. На картинке как раз видны резонансные пики. В этом симуляторе я не разобрался как строить вильт-амперную характеристику. Более того, пример приближен к реалиям, ибо задается не высота барьера в энергетических единицах, а конкретно степень легирования алюминием арсенида галлия, но как эти вещи связаны — не ясно. То есть просто какая то научная группа выкладывает «в паблик» свои программы, причем в основном исходный код скрыт, так что понять как это все обсчитывается, в каких приближениях довольно затруднительно. По крайне мере с первого раза 🙂

Или вот еще пример — эдакий полевой транзистор (FET — Field Effect Transistor) с углеродной нанотрубкой, окруженной диэлектриком, который в свою очередь окружен проводником, который и является затвором (гейтом, gate). То есть, проводимость нанотрубки, ее вольт-амперная характеристика зависит от управляющего потенциала на гейте, в этом, собственно, и есть суть транзистора. На концах трубки имеются еще и так называемые барьеры Шоттки. Всю эту штуку рассчитывает вот эта симуляция, куда опять таки можно заложить произвольные (или почти) параметры:

FET Schottky nanotube

На картинке видны графики вольт-амперных характеристик этого транзистора. Разные цвета соответствуют разным напряжениям на гейте.

Еще я смотрел и игрался с симуляцией, которая рассчитывает с помощью уравнения Шрёдингера энергетический спектр в условиях периодического потенциала (модель Кронига-Пенни, синусоидальный потенциал…) — то есть обычная модель слабой связи для электронов проводимости в металлах. Как и ожидалось в спектре появляются запрещенные зоны.

Вообще, чтобы понять по каким же формулам делаются расчеты в этих онлайн игрушках можно посмотреть видео лекции от NanoHub на Youtube. Чтобы оживить пост вставлю видео с предварительной лекции по всей этой наноэлектронике. Мне нравится в ней то, что как обычно я лучше понимаю английский на слух, когда на нем говорят не носители языка. А тут такой колоритный индус (это вроде бы сам Датта, тот, который причастен к спиновому транзистору Датта-Даса) :



Если вам понравился материал, пожалуйста, поделитесь им с друзьями: