فيزياء الميزوسكوب

الفيزياء الميزوسكوبية هي فرع من فروع فيزياء المادة المكثفة، وتختص بدراسة المواد ذات الحجم المتوسط. يتراوح حجم هذه المواد بين النطاق النانوي ( كمية من الذرات ، مثل الجزيء ) والمواد التي يصل حجمها إلى الميكرومترات . ^{[ 1 ]} ويمكن تعريف الحد الأدنى أيضًا بأنه حجم الذرات الفردية. أما على المستوى الميكروسكوبي، فتوجد المواد الصلبة. تحتوي كل من الأجسام الميزوسكوبية والعيانية على العديد من الذرات. في حين أن الخصائص المتوسطة المستمدة من المواد المكونة تصف الأجسام العيانية، لأنها عادةً ما تخضع لقوانين الميكانيكا الكلاسيكية ، فإن الجسم الميزوسكوبي، على النقيض من ذلك، يتأثر بالتقلبات الحرارية حول المتوسط، وقد يتطلب سلوكه الإلكتروني نمذجة على مستوى ميكانيكا الكم . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

عندما يُصغّر حجم جهاز إلكتروني كبير إلى حجم متوسط، يبدأ في إظهار خصائص ميكانيكية كمومية. على سبيل المثال، على المستوى الكبير، تزداد موصلية السلك باستمرار مع قطره. أما على المستوى المتوسط، فتُصبح موصلية السلك مُكمّمة : إذ تحدث الزيادات على شكل خطوات منفصلة، ​​أو فردية، كاملة. خلال البحث، تُصنع أجهزة متوسطة الحجم، وتُقاس، وتُراقَب تجريبيًا ونظريًا بهدف تعزيز فهم فيزياء العوازل ، وأشباه الموصلات ، والمعادن ، والموصلات الفائقة . ويتناول علم الفيزياء المتوسطة التطبيقي إمكانية بناء أجهزة نانوية.

يتناول علم الفيزياء الميزوسكوبية أيضًا المشكلات العملية الأساسية التي تظهر عند تصغير جسم كبير الحجم، كما هو الحال مع تصغير الترانزستورات في إلكترونيات أشباه الموصلات. تتغير الخصائص الميكانيكية والكيميائية والإلكترونية للمواد مع اقتراب حجمها من النطاق النانوي، حيث تصبح نسبة الذرات على سطح المادة ذات أهمية. أما بالنسبة للمواد الصلبة التي يزيد حجمها عن ميكرومتر واحد، فإن نسبة الذرات على السطح ضئيلة مقارنةً بعدد الذرات في المادة ككل. وقد ركز هذا التخصص الفرعي بشكل أساسي على الهياكل الاصطناعية المصنوعة من المعادن أو أشباه الموصلات، والتي تم تصنيعها باستخدام التقنيات المستخدمة في إنتاج الدوائر الإلكترونية الدقيقة . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

لا يوجد تعريف دقيق للفيزياء الميزوسكوبية، لكن الأنظمة المدروسة تتراوح أحجامها عادةً بين 100  نانومتر (حجم فيروس نموذجي ) و  1000  نانومتر (حجم بكتيريا نموذجية): 100 نانومتر هو الحد الأعلى التقريبي للجسيمات النانوية . لذا، ترتبط الفيزياء الميزوسكوبية ارتباطًا وثيقًا بمجالات تصنيع النانو وتكنولوجيا النانو . وتُعد الأجهزة المستخدمة في تكنولوجيا النانو أمثلة على الأنظمة الميزوسكوبية. وتشمل ثلاث فئات من الظواهر الإلكترونية الجديدة في هذه الأنظمة: تأثيرات التداخل، وتأثيرات الحصر الكمي، وتأثيرات الشحن. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

في الفيزياء الميزوسكوبية، تكون المواد ذات حجم متوسط ​​بين المقياسين الميكروسكوبي والماكروسكوبي. ونتيجة لذلك، تعتمد طبيعة النقل الإلكتروني بشكل حاسم على المسافة التي يجب أن تقطعها حاملات الشحنة (${\displaystyle L}$) مقارنة بمتوسط ​​المسار الحر (${\displaystyle L_{m}}$) لحاملات الشحنة.

في حالة الانتشار، حيث${\displaystyle L\approx L_{m}}$وتخضع الناقلات لأحداث تشتت متعددة، ويتم وصف النقل بواسطة معادلة بولتزمان شبه الكلاسيكية للنقل .

على النقيض من ذلك، عندما ${\displaystyle L<L_{m}}$يصبح التشتت ضئيلاً، ويدخل النظام في النقل الباليستي ، الذي يختلف تمامًا عن النقل الانتشارى. هنا، تمر الإلكترونات عبر المادة دون تصادمات، محافظةً على طاقتها وتماسك طورها. وذلك لأننا نستطيع اعتبار الإلكترونات موجات لا تتغير طاقتها في أي لحظة. وبهذه الطريقة، يمكن استخدام ميكانيكا الكم لوصف كيفية حدوث هذا النقل. ^{[ 4 ]} في هذا النظام، تُكمّم موصلية السلك بوحدات كمية للموصلية.${\displaystyle 2e^{2}/h}$(أين${\displaystyle e}$هي الشحنة الأولية و${\displaystyle h}$( ثابت بلانك ). ^{[ 4 ]}

تصف تأثيرات الحصر الكمي الإلكترونات من حيث مستويات الطاقة، والآبار الكامنة ، ونطاقات التكافؤ ، ونطاقات التوصيل ، وفجوات نطاق طاقة الإلكترون .

يمكن وصف الإلكترونات في المواد العازلة الصلبة (أكبر من 10 نانومتر) بنطاقات طاقة أو مستويات طاقة إلكترونية. تتواجد الإلكترونات في مستويات أو نطاقات طاقة مختلفة. في المواد الصلبة، تُوصف مستويات الطاقة هذه بأنها متصلة لأن الفرق في الطاقة ضئيل. عندما تستقر الإلكترونات عند مستويات طاقة مختلفة، فإن معظمها يهتز في نطاقات التكافؤ أسفل مستوى طاقة محظور، يُسمى فجوة النطاق . هذه المنطقة هي نطاق طاقة لا توجد فيه أي حالات إلكترونية. يوجد عدد أقل من الإلكترونات في مستويات طاقة أعلى من فجوة النطاق المحظورة، وهذا هو نطاق التوصيل. 

يمكن ملاحظة تأثير الحصر الكمومي عندما يكون قطر الجسيم مساويًا لطول موجة دالة الإلكترون الموجية . ^{[ 5 ]} عندما تكون المواد بهذا الصغر، تنحرف خصائصها الإلكترونية والبصرية اختلافًا كبيرًا عن خصائص المواد الصلبة. ^{[ 6 ]} مع تصغير المادة إلى النطاق النانوي، يتناقص بُعد الحصر بشكل طبيعي. لم تعد الخصائص مُعدّلة وفقًا للمواد الصلبة، وبالتالي متصلة، بل أصبحت على مستوى الكمات، وبالتالي منفصلة. بعبارة أخرى، يصبح طيف الطاقة منفصلًا، يُقاس بالكمات، بدلًا من أن يكون متصلًا كما في المواد الصلبة. ونتيجة لذلك، تبرز فجوة النطاق : يوجد فصل صغير ومحدود بين مستويات الطاقة. تُسمى هذه الحالة من مستويات الطاقة المنفصلة بالحصر الكمومي .

بالإضافة إلى ذلك، تتكون تأثيرات الحصر الكمومي من جزر معزولة من الإلكترونات قد تتشكل عند السطح البيني المُنمّط بين مادتين شبه موصلتين مختلفتين. وعادةً ما تُحصر الإلكترونات في مناطق قرصية الشكل تُسمى النقاط الكمومية . ويؤدي حصر الإلكترونات في هذه الأنظمة إلى تغيير تفاعلها مع الإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل ملحوظ، كما ذُكر سابقًا. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

نظرًا لأن مستويات طاقة الإلكترون في النقاط الكمومية منفصلة وليست متصلة، فإن إضافة أو إزالة عدد قليل من الذرات من النقطة الكمومية يؤدي إلى تغيير حدود فجوة الطاقة. كما أن تغيير هندسة سطح النقطة الكمومية يُغير طاقة فجوة الطاقة، ويعود ذلك أيضًا إلى صغر حجم النقطة وتأثيرات الحصر الكمومي. ^{[ 7 ]}

في النطاق الميزوسكوبي، يُحدث التشتت الناتج عن العيوب - كالشوائب - تأثيرات تداخلية تُعدّل تدفق الإلكترونات. وتتمثل السمة التجريبية لتأثيرات التداخل الميزوسكوبية في ظهور تقلبات قابلة للتكرار في الكميات الفيزيائية. فعلى سبيل المثال، تتذبذب موصلية عينة معينة بشكل عشوائي ظاهريًا كدالة لتقلبات المعايير التجريبية. ومع ذلك، يمكن إعادة تتبع النمط نفسه إذا أُعيدت المعايير التجريبية إلى قيمها الأصلية؛ في الواقع، يمكن تكرار الأنماط المرصودة على مدى أيام. تُعرف هذه باسم تقلبات الموصلية العامة .

التجارب المعتمدة على الزمن في الديناميكيات الميزوسكوبية: رصد ودراسة ديناميكيات الطور المكثف على المستوى النانوي، مثل تشكل الشقوق في المواد الصلبة، وانفصال الأطوار، والتقلبات السريعة في الحالة السائلة أو في البيئات ذات الصلة البيولوجية؛ ورصد ودراسة الديناميكيات فائقة السرعة للمواد غير البلورية على المستوى النانوي. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

• بيناكر، كارلو (1995). “الفوضى في البلياردو الكم” (PDF) . جامعة ليدن . تم الاسترجاع في 14 يونيو 2018 .
• هارمانز، سي. (2003). "الفيزياء الميزوسكوبية: مقدمة" (ملف PDF) . موقع OpenCourseWare التابع لجامعة دلفت للتكنولوجيا . تاريخ الاسترجاع: 14 يونيو 2018 .
• جالابيرت، رودولفو أ. (2016). "النقل المجهري والفوضى الكمومية" . سكولاربيديا . 11 (1) 30946. أرخايف : 1601.02237 . بيب كود : 2016SchpJ..1130946J . دوى : 10.4249/scholarpedia.30946 . S2CID 26633032 .