سلك كمومي

في الفيزياء الميزوسكوبية ، السلك الكمومي هو سلك موصل كهربائياً تتأثر فيه خصائص النقل بالتأثيرات الكمومية . وعادةً ما تظهر هذه التأثيرات في أبعاد النانومتر، ولذلك يُشار إليها أيضاً بالأسلاك النانوية .

إذا كان قطر السلك صغيرًا بما يكفي، فإن الإلكترونات ستخضع للحصر الكمي في الاتجاه العرضي. ونتيجة لذلك، ستقتصر طاقتها العرضية على سلسلة من القيم المنفصلة. ومن نتائج هذا التكميم أن الصيغة الكلاسيكية لحساب المقاومة الكهربائية للسلك،

${\displaystyle R=\rho {\frac {l}{A}},}$

لا ينطبق هذا على الأسلاك الكمومية (حيث${\displaystyle \rho }$هي مقاومة المادة ،${\displaystyle l}$هو الطول، و${\displaystyle A}$(مساحة المقطع العرضي للسلك).

بدلاً من ذلك، يجب إجراء حساب دقيق للطاقات العرضية للإلكترونات المحصورة لحساب مقاومة السلك. وبناءً على تكميم طاقة الإلكترون، وُجد أن الموصلية الكهربائية (مقلوب المقاومة) مُكمّمة بمضاعفات${\displaystyle 2e^{2}/h}$، أين${\displaystyle e}$هي شحنة الإلكترون و${\displaystyle h}$هو ثابت بلانك . ينشأ العامل 2 من انحلال اللف المغزلي . تتمتع قناة كمومية باليستية مفردة (أي بدون تشتت داخلي) بموصلية تساوي هذه الكمية من الموصلية . تكون الموصلية أقل من هذه القيمة في وجود تشتت داخلي. ^{[ 1 ]}

تتناسب أهمية التكميم عكسيًا مع قطر السلك النانوي لمادة معينة. وتختلف هذه الأهمية من مادة لأخرى، إذ تعتمد على الخصائص الإلكترونية، وخاصة على الكتلة الفعالة للإلكترونات. فيزيائيًا، يعني هذا أنها تعتمد على كيفية تفاعل إلكترونات التوصيل مع الذرات داخل المادة. عمليًا، يمكن لأشباه الموصلات أن تُظهر تكميمًا واضحًا للموصلية في الأسلاك ذات الأبعاد العرضية الكبيرة (حوالي 100  نانومتر) لأن الأنماط الإلكترونية الناتجة عن الحصر تكون ممتدة مكانيًا. ونتيجة لذلك، تكون أطوال موجات فيرمي كبيرة، وبالتالي تكون فواصل الطاقة بينها منخفضة. هذا يعني أنه لا يمكن تمييزها إلا عند درجات حرارة منخفضة جدًا (في حدود بضع درجات من الصفر المطلق ) حيث تكون الطاقة الحرارية أقل من فاصل الطاقة بين الأنماط.

بالنسبة للمعادن، لا تُلاحظ ظاهرة التكميم المقابلة لحالات الطاقة الأدنى إلا في الأسلاك الذرية. ونظرًا لصغر طول موجاتها، فإنها تتميز بفصل طاقة كبير جدًا، مما يجعل تكميم المقاومة قابلاً للملاحظة حتى في درجة حرارة الغرفة.

يُعد الأنبوب النانوي الكربوني مثالاً على السلك الكمومي. يتميز الأنبوب النانوي الكربوني المعدني أحادي الجدار، القصير بما يكفي لعدم إظهار أي تشتت داخلي ( نقل باليستي )، بموصلية تقارب ضعف الموصلية الكمومية .${\displaystyle 2e^{2}/h}$ينشأ عامل الاثنين لأن أنابيب الكربون النانوية تحتوي على قناتين مكانيتين. ^{[ 2 ]}

تؤثر بنية الأنبوب النانوي بشكل كبير على خصائصه الكهربائية. بالنسبة لأنبوب نانوي معين ( n , m )، إذا كان n = m ، يكون الأنبوب النانوي فلزيًا؛ وإذا كان n − m من مضاعفات 3، يكون الأنبوب النانوي شبه موصل بفجوة نطاق صغيرة جدًا، وإلا يكون الأنبوب النانوي شبه موصل متوسط . وبالتالي، فإن جميع الأنابيب النانوية ذات البنية الكرسيّة ( n = m ) تكون فلزيّة، بينما الأنابيب النانوية (6,4) و(9,1) وما إلى ذلك تكون شبه موصلة. ^{[ 3 ]}

• الموصلية الكمية
• النقاط الكمومية
• نقطة اتصال كمومية
• البئر الكمومي