Lokalizácia Peter Markoš Fyzikálny ústav SAV Katedra fyziky FEI STU Abstract Pri nízkych teplotách sa elektróny správajú ako kvantové častice. Preto s

Podobné dokumenty
Klasické a kvantové vĺny na rozhraniach. Peter Markoš, KF FEI STU April 14, 2008 Typeset by FoilTEX

Bariéra, rezonančné tunelovanie Peter Markoš, KF FEI STU February 25, 2008 Typeset by FoilTEX

Model tesnej väzby (TBH) Peter Markoš, KF FEI STU April 21, 2008 Typeset by FoilTEX

Snímka 1

Andersonov prechod kov-izolant v neusporiadaných systémoch Peter Markoš Fyzikálny ústav SAV 11. január 2004 Typeset by FoilTEX

Snímka 1

Pocítacové modelovanie - Šírenie vln v nehomogénnom prostredí - FDTD

16 Franck-Hertz.doc

Pokrocilé programovanie XI - Diagonalizácia matíc

29.Kvantová fyzika sa zakladá na Planckových a Einsteinových teóriach a hovorí, že všetky procesy sa dejú po maličkých krokoch => všetky fyzikálne vel

Microsoft PowerPoint - Paschenov zakon [Read-Only] [Compatibility Mode]

PowerPoint Presentation

L avoruké materiály Peter Markoš, FÚ SAV 25 február 2004 Abstract Porozprávam o niektorých EM vlastnostiach l avorukých materiálov: elektrodynamika s

Monday 25 th February, 2013, 11:54 Rozmerová analýza M. Gintner 1.1 Rozmerová analýza ako a prečo to funguje Skúsenost nás učí, že náš svet je poznate

21 Spektrometria ziarenia alfa.doc

Metódy dokazovanie v matematike 1 Základné pojmy Matematika exaktná veda vybudovaná DEDUKTÍVNE ZÁKLADNÉ POJMY základy každej matematickej teórie sú in

Úloha č.2 Meranie odporu rezistorov Vladimír Domček Astrofyzika semester Skupina č Laboratórne podmienky: Teplota: 22,6 C Tlak:

Vybrané kapitoly zo štatistickej fyziky - domáce úlohy Michal Koval 19. mája 2015 Domáca úloha č. 1 (pochádza z: [3]) Systém pozos

Teória pravdepodobnosti Zákony velkých císel

MERANIE U a I.doc

Vypracované úlohy z Panorámy z fyziky II Autor: Martin Brakl UČO: Dátum:

Urýchľovačová fyzika (letný semester 2014) vyučujúci: M.Gintner, I.Melo prednáška: 2 hod/týždeň cvičenie: 2 hod/týždeň odporúčaná literatúra: M. Bomba

Pokrocilé programovanie II - Nelineárne iteracné schémy, chaos, fraktály

Úvod do časticovej fyziky časť 1: častice a interakcie Boris Tomášik Univerzita Mateja Bela, Fakulta prírodných vied ČVUT, Fakulta jaderná a fyzikálně

Preco kocka stací? - o tom, ako sú rozdelené vlastné hodnoty laplasiánu v limite, ked sú velké

Jadrova fyzika - Bc.

Podivný mikrosvet Mikuláš Gintner Katedra fyziky Žilinská univerzita 2013 Masterclasses in Physics 2013 M. Gintner

Vlny v nehomogénnom prostredí - (Inauguracná prednáška)

DOTAZNÍK PRE POISTENIE MONTÁŽNYCH PRÁC 1.Názov montážneho diela ( ak montážne dielo pozostáva z viacerých častí, uveďte tie, ktoré majú byť poistené)

Základné stochastické procesy vo financiách

Monday 25 th February, 2013, 11:50 Kvantové vlastnosti častíc M. Gintner 1 Kvantové (časticové) vlastnosti svetla 1.1 Hybnost fotónu Experimenty a zis

Základy programu Editor rovnic

36. Fázová analýza pomocou Mössbauerovej spektroskopie

Platný od: OPIS ŠTUDIJNÉHO ODBORU

Ohyb svetla

60. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2018/2019 kategória E okresné kolo Riešenie úloh 1. Zohrievanie vody, výhrevnosť paliva a) Fosílne pal

SRPkapitola06_v1.docx

Ako vybrať hliníkové disky (elektróny)

Zadanie_1_P1_TMII_ZS

Microsoft Word - 00_Obsah_knihy_králiková

Analýza kontaktne-únavového namáhania povlakovaného spekaného materiálu

Paralelné algoritmy, cast c. 2

Prenosový kanál a jeho kapacita

Microsoft Word - skripta3b.doc

Microsoft Word - MAT_2018_1 kolo.docx

trafo

SVETELNÁ ENERGIA SOLÁRNY ČLÁNOK ZALOŽENÝ NA UMELEJ FOTOSYNTÉZE 15. mája ODPOVEĎOVÝ HÁROK 1 - Krajina a družstvo:.. Meno: Meno:. Meno:.

Operačná analýza 2

ALBATROS_MEDIA

Analýza hlavných komponentov

bakalarska prezentacia.key

Návod na obsluhu AX-7020

Základy programu Editor rovnic

Snímka 1

Numerické riešenie všeobecnej (klasickej) DMPK rovnice.

Ucebne osnovy

MPO-01A

1 Rekurencie este raz riesenia niektorych rekurencii z cvik. mame danu rekurenciu napr T (n) = at ( n b ) + k. idea postupu je postupne rozpisovat cle

Skúšanie zámkov lopatiek turbín

Správa o odbornej prehliadke a odbornej skúške bleskozvodu

Fotonické kryštály a metamateriály Peter Markoš

VYŠETROVANIE LÁTOK SPEKTROSKOPOM (SPEKOLOM)

Vzorové riešenia úlohy 4.1 Bodovanie Úvod do TI 2010 Dôvod prečo veľa z Vás malo málo bodov bolo to, že ste sa nepokúsili svoje tvrdenia dokázať, prič

PYROMETER AX-6520 Návod na obsluhu

PL_2_2_vplyv_objemu

Expertízny posudok stability drevín

Problémové správanie žiakov stredných škôl;

2_detsky pesibus v Novakoch_Putiska Ivan

Prezentácia Salavevykurovanie.sk

Microsoft Word - Autoelektronika - EAT IV.r. -Osvetľovacie zariadenia -Základné pojmy.doc

53. ročník CHO, krajské kolo - odpoveďový hárok, kategória B

TS - Budúcnosť autobusovej dopravy SAD Žilina je samozrejmá súčasť našich životov ǀ Žilina ǀ Tlačová správa SAD Žilina, a.s. Spoločnosť Slov

Inovované učebné osnovy FYZIKA ISCED2 Učebná osnova FYZIKA v 6. ročníku základnej školy Učebné osnovy sú totožné so vzdelávacím štandardom pre vyučova

Zdravé sebavedomie odzrkadľuje spôsob, akým vidíme sami seba. Ak sa chceme stať sebavedomejšími ľuďmi, musíme zmeniť to, čo si myslíme sami o sebe, ak

Predná strana - Druhý Newtonov zákon

TOP RUBBER PLUS TECHNICKÉ CHARAKTERISTIKY POPIS PRODUKTU : Antivibračná zvukotesná doska TOP RUBBER PLUS je antivibračný zvukovo izolačný panel tvoren

1 Portál pre odborné publikovanie ISSN Heuristický adaptívny PSD regulátor založený na miere kmitavosti Šlezárová Alexandra Elektrotechnika

VYKONÁVACIE NARIADENIE KOMISIE (EÚ) 2019/ zo 16. apríla 2019, - ktorým sa stanovujú pravidlá uplatňovania nariadenia Európskeho

TÉMA: VETERNÁ ERÓZIA METODICKÉ POZNÁMKY CIELE Žiaci si majú osvojiť pojem veterná erózia. majú spoznať jeden z princípov stanovovania prašného spadu a

Diracova rovnica

Fyzika nižšie stredné vzdelávanie ÚVOD FYZIKA Vzdelávací štandard je pedagogický dokument, ktorý stanovuje nielen výkon a obsah, ale umožňuje aj rozví

Cvičenie 9 Riešené príklady 1. Príklad min f(x 1, x 2 ) = x x x 1 s.t. x 1 80 x 1 + x Pre riešenie úlohy vykonáme nasledujúce kroky

Správa o odbornej prehliadke a odbornej skúške bleskozvodu

Témy DIPLOMOVÝCH PRÁC pre študijný blok Teoretická a matematická fyzika Verzia 2 ( ) Doc.RNDr.V.Balek,CSc. Modely vesmíru s anizotropnou tmav

Snímka 1

2.5. Dotyčnica krivky, dotykový kužeľ. Nech f je krivka a nech P V (f) (t.j. m P (f) 1). Ak m P (f) = r a l je taká priamka, že I P (f, l) > r, potom

Prezentácia programu PowerPoint

Využitie moderných meracích technológií na hodnotenie kvality tlače

Aplikace matematiky- záverečná práca Juraj Bodík 28. septembra 2017 Definície Žena - objekt ohodnotený celým číslom. Každé dve ženy sa dajú porovnat a

Axióma výberu

Inteligentné rozhodovacie systémy Heuristické prehľadávanie SP Október, 2018 Katedra kybernetiky

PowerPoint Presentation

1 Priebeµzné písomné zadanie µc.1. Príklady je potrebné vypoµcíta t, napísa t, a odovzda t, na kontrolu na nasledujúcej konzultácii. Nasledujúce integ

Základná škola, Školská 3, Čierna nad Tisou Tematický výchovno - vzdelávací plán Stupeň vzdelania: ISCED 2 Vzdelávacia oblasť: Človek a príroda

Optimal approximate designs for comparison with control in dose-escalation studies

TEN-A-CMS-YAZ SK

Operačná analýza 2

Novinky programu MSklad

III. Diferenciálny počet funkcie viac premenných (Prezentácia k prednáškam, čast B) Matematická analýza IV (ÚMV/MAN2d/10) RNDr. Lenka Halčinová, PhD.

16. IV Základy fyziky: príklady M. Gintner Teória merania 1. V experimente boli namerané nasledovné hodnoty: 3,47 cm; 3,42 cm; 3,51 cm; 3,44 cm;

Prepis:

Peter Markoš Fyzikálny ústav SAV Katedra fyziky FEI STU Abstract Pri nízkych teplotách sa elektróny správajú ako kvantové častice. Preto sa analýza elektrónového transportu nezaobíde bez znalostí kvantovej mechaniky. Elektrickú vodivost a jej neočakávané vlastnosti vysvetĺıme na základe kvantového - vlnového charakteru elektrónu. Typeset by FoilTEX

1. Úvod: odpor a vodivost nemusia spĺňat Ohmov zákonu. 2. Kvantový charakter pohybu elektrónu. 3. Interferencia vlny. 4. Kadial putuje elektrón? 5. kvantovej častice v náhodom potenciáli. Typeset by FoilTEX 1

Opakovanie: Ohmov zákon R 1 R 2 + = R 1 + R 2 L 1 L 2 L 1 + L 2 V klasickom vodiči predpokladáme, že elektrický odpor narastá úmerne predpoklad potvrdzuje naša každodenná skúsenost. dĺžke vodiča. Tento Typické vodiče: dĺžka 1 m Typické teploty: izbová teplota - 300 K. Zmenšujme teraz rozmer Ohmov zákon neplatí. (dĺžku) vodiča a znižujme teplotu. Dostaneme sa do oblasti, kedy Namiesto R = R 1 + R 2 môžeme napr. dostat R = R 1 + R 2 + R 1 R 2. (1) Typeset by FoilTEX 2

Ohmov zákon nie vždy platí R = R 1 + R 2 + R 1 R 2. (2) Takýto modifikovaný zákon vedie k exponenciálnemu nárastu odporu. Už neplatí R(L) L (3) ale máme R(L) exp(+l/ξ) (4) R 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 L Samozrejme, vodivost, 1/R, je exponenciálne malá. Typeset by FoilTEX 3

Štatistika Meranie elektrického odporu R alebo elektrickej vodivosti σ prinesie nejaké čísla. Ich presnost je daná našou šikovnost ou kvalitou prístrojov samotným systémom (napr. vysokou teplotou, šumom z okolia apod). Intuitívne cítime, že výsledky by sme vedeli neustále zlepšovat. Jednou z ciet vylepšenia je znížit teplotu. Ale: Typeset by FoilTEX 4

Katastrofa V niektorých vzorkách boli pozorované experimentálne obrovské reprodukovatel né fluktuácie odporu. Ked sa zmenšovala teplota, fluktuácie neklesali, naopak narastali: g g exp «α T0 T (5) Vysvetlenie takéhoto nárastu je možné len v rámci kvantovej mechaniky. Typeset by FoilTEX 5

Štatistika a absencia ustrednenia. Transmission 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-2 -1 0 1 2 Fermi energy Výsledok merania vodivosti v silne neusporiadanej vzorke. Mením len energiu elektrónu, vzorka je tá istá. Vodivost sa mení o niekol ko rádov. 10 0 Transmission 10-2 10-4 10-6 -1-0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 E σ 0.00001 0.95 Dôležité: Vel ké zmeny vodivosti sú reprodukovatel né - zmenou energie tam a spät sa pohybujeme po tej istej krivke! Nejde preto o štatistické chyby merania, ale o vlastnost neusporiadaného systému. Typeset by FoilTEX 6

Katastrofa, alebo zaujímavá fyzika? Nové neočakávané vlastnosti pozorujeme pri vel mi nízkych teplotách absolútna nula: -273.15 C = 0 K; izbová teplota: 300 K, súčasné experimenty: 100 mk. Vzorky sú malé: L L φ - preto elektróny prejdú naprieč vzorkou bez toho, aby interagovali napr. s kmitmi mriežky - pohyb elektrónu je kvantový vzorky sú neusporiadané - nejde o pravidelné kryštály Podstatné: obrovské fluktuácie nie sú výsledkom chyby merania. Ide o prejav novej fyziky, ktorú pri vyšších teplotách nevidíme. Typeset by FoilTEX 7

Kvantový popis pohybu elektrónu Pri vel mi nízkych teplotách nie je elektrón klasickou časticou, ale správa sa kvantovo - šíri sa priestorom ako vlna. Šírenie vĺn má svoje osobitosti, na ktoré sme si zvykli, ale intuitívne sa im bránime, ked ide o častice. V kove sa kvantové vlastnosti elektrónu prejavia len vtedy, ked je stredná vol ná dráha nepružných zrážok vel mi vel ká. To je možné, len ak je teplota nízka. Preto lokalizáciu vidíme len pri vel mi nízkych teplotách. Typeset by FoilTEX 8

Príklad: kvantové tunelovanie elektrónu Rozptyl na Prechod barierou V=6 a=1, k0=2, var(k)=0.1 Τ=0.025 Ψ 2 0.4 0.2 0-30 -20-10 0 10 x Elektrón je schopný pretunelova t cez bariéru, aj ked je jeho energia menšia ako je výška bariéry. klasická častica by sa totálne odrazila. Typeset by FoilTEX 9

Iný príklad: Odraz od potenciálového stupienka I Rozptyl na potencialovom schode V= + 4, k0=2, var(k)=0.1 Ψ 2 R=0.631 0 x Ak je energia väčšia, ako potenciálový stupeň, tak klasická častica vždy prejde a pokračuje, hoci s menšou rýchlost ou. Kvantová častica sa dokáže odrazit. Vieme určit len pravdepodobnost, že prejde na druhú stranu, ale na začiatku experimentu nevieme povedat, aký bude presne jeho výsledok. Typeset by FoilTEX 10

Odraz od potenciálového schodu Rozptyl na potencialovom schode V= - 4, k0=2, var(k)=0.1 Ψ 2 R=0.03 0 x Kvantový elektrón sa dokáže odrazit aj od schodu smerom nadol. Toto nedokáže žiadna klasická častica. Typeset by FoilTEX 11

Neusporiadanost : rôzne modely. (a) Periodická mriežka. (b) Rovnaké atómy v rôznych polohách. (c) Náhodné polohy, konštantný počet susedov na každý uzol. (d) Rovnaké polohy, rôzne atómy. (e) Spinový. (f) Náhodné preskokové členy. Typeset by FoilTEX 12

Realizácia náhodnej vzorky Uvažujme najprv pre jednoduchost len jednorozmerný systém, v ktorom sa mení potenciál celkom náhodne: W Takto vyzerajú tir náhodné retiazky. Na prvý pohl ad sú skoro rovnaké, ale mikroskopicky sú úplne iné. Elektrón sa v každej z nich cíti inak. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n Elektrón prichádza zl ava, a budeme merat pravdepodobnost, že prejde naprieč takýmto systémom. Intuitívne je jasné, že táto pravdepodobnost bude úmerná vodivosti. Typeset by FoilTEX 13

Ako sa mení priepustnost takejto vzorky s dĺžkou Transmission Transmission 1 0.8 0.6 0.4 0.2 W = 1 0 0 100 200 300 400 500 1 0.8 0.6 0.4 0.2 W = 2 0 0 100 200 300 400 500 Length of the system N Vzorka pozostáva z retiazky N bariér náhodnej výšky. priepustnost vzorky bude prudko klesat s jej dĺžkou. Je rozumné očakávat, že Pridaním dodatočnej bariéry sa priepustnost systému môže niekedy zväčšit. Typeset by FoilTEX 14

Dôvod: interferencia elektrónu samého so sebou Typeset by FoilTEX 15

Myšlienkový experiment W 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n Zoberieme náhodnú vzorku, nájdeme jej vodivost, a potom zmeníme náhodnú energiu v jedinom bode mriežky. Čo sa stane? Aby to bolo zaujímavejšie, urobíme tento experiment v dvojrozmerných vzorkách. Typeset by FoilTEX 16

Dvojrozmerný dobre vodivý systém 100 zmena g ak zmenis eps(r) --> -eps(r) v bode r. W=2 g = 4.99835 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 1 % 10 % Vo vzorke 100 100 sme postupne zmenili znamienko jedinej náhodnej energie. Obrázok ukazuje, ako táto zmena ovplyvnila vodivost. Zmena vodivosti je maličká, len o 1%. Elektrón prechádza celou vzorkou. Typeset by FoilTEX 17

Dvojrozmerný horšie vodivý systém 100 zmena g ak zmenis eps(r) --> -eps(r) v bode r. W=6 g = 0.00084086 80 1 % 10 % 100 % 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 Tu sa situácia dramaticky mení: zmenou jedinej náhodnej energie v niektorých bodoch zmeníme vodivost o viac ako 100%! Typeset by FoilTEX 18

Dvojrozmerný vel mi slabo vodivý systém 2D_w20_100.g <ln g> -100-120 -140-160 -180-200 0 vel mi silno neusporiadaný systém je temer nevodivý. Meriam vodivost pre 10000 vzoriek, Typická vodivost tohto je rádu g e 133 Štatistika: nájdem vzorky s vodivost ou o dvadsat rádov väčšou, resp. menšou. Vzorky sa ĺıšia len realizáciou náhodného potenciálu, jeho fluktuácie sú tie isté. Typeset by FoilTEX 19

Dvojrozmerný vel mi slabo vodivý systém 0.05 0.04 p(ln g) 0.03 0.02 0.01 0-160 -140-120 -100 ln g Takto vyzerá typické pravdepodobnostné rozdelenie vodivosti v silne neusporiadnaom systéme. Typeset by FoilTEX 20

Dvojrozmerný vel mi slabo vodivý systém 100 zmena g ak zmenis eps(r) --> -eps(r) v bode r. W=10 80 0.01 % 0.1 % 1 % 10 % 100 % 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 Ak je systém naozaj silne neusporiadaný, vyberie si elektrón jednu dráhu. Typeset by FoilTEX 21

Dvojrozmerný vel mi slabo vodivý systém 100 zmena logaritmu g ak zmenis eps(r) --> -eps(r) v bode r 80 1 % W=20 10 % W=20 1 % W=10 10 % W=10 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100... ale tá dráha nemusí tiect udoĺım ako tečie rieka medzi horami. Typeset by FoilTEX 22

Dvojrozmerný vel mi slabo vodivý systém Uvažujme štatistický súbor 10.000 vzoriek, a pre každú z nich počítajme pravdepodobnost prechodu (transmisiu) elektrónu naprieč vzorkou. 2D_w20_w10_100.g -100 ln g W = 20-120 -140-160 -50-40 -30-20 -10 ln g W = 10 porovnáme systémy s rôznou neusporiadanost ou: vzorky su identické, len rozsah náhodnosti je v tej druhej 2 väčší. (W = 10 resp. W = 20). Výpčet sme urobili 10000. Neexistuje žiadna korelácia medzi získanými hodnotami! Typeset by FoilTEX 23

Napríklad: Logaritmus pravdepodobnosti prejst vzorkou pre jednotlivé vzorky: vzorka č. W=10 W=20 890-32.4-96.10 5657-29.36-160.0 Hoci je pravdepodobnost vždy malá, ĺıši s aod vzorky ku vzorke faktorom až e 3 30 pre W = 10 (slabšia neusporiadanost, ale pri silnej neusporiadanosti až faktorom e 64 10 27. Typeset by FoilTEX 24

Absencia difúzie v neusporiadanom systéme Častice aj vlny sa priestorom môžu vol ne šírit, pokial nenarazia na prekážky. častice sa od prekážky odrazia, vlny sa rozptýlia. rozptýlené časti vĺn vzájomne interferujú. P. W. Anderson (1958): Ak sa vlna šíri v neusporiadanom (náhodnom) prostredí, môže sa stat, že zastane - nie je schopná pohybu. Typeset by FoilTEX 25

Časový vývoj V čase t = 0 pridáme elektrón do prostriedka neuspriadanej mriežky a sledujeme časový vývoj vlnovej funkcie. Ψ( r, t) i h t = HΨ( r, t) Ak je neusporiadanost dostatočne vel ká, vlnový baĺık sa prestane rozpínat - elektrón je lokalizovaný v konečnej časti systému. Typeset by FoilTEX 26

T=0.4 T 0 λ=12 <r 2 > = 83 Typeset by FoilTEX 27

T=12 T 0 λ=12 <r 2 >=110 Typeset by FoilTEX 28

T=20 T 0 λ=12 <r 2 >=134 Typeset by FoilTEX 29

T=28 T 0 λ=12 <r 2 >=141 Typeset by FoilTEX 30

T=36 T 0 λ=12 <r 2 >=123 Typeset by FoilTEX 31

Pravdepodobnost návratu P = lim t p(t) do východzieho bodu (Anderson 1958). Taký systém nie je schopný viest elektrický prúd. Typeset by FoilTEX 32

Ergodická hypotéza Transmission Transmission 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.6 0.4 0.2 0-2 -1 0 1 2 Fermi energy 1 0.8 0 0 200 400 600 800 1000 realization of random energies V experimente nikdy nepripravíme 10000 vzoriek, sme radi, ked máme jednu. Našt astie, zmena Fermiho energie (energie elektrónu) je ekvivalentná zmene vzorky! Typeset by FoilTEX 33

Záver Kvantový charakter elektrónu je zodpovedný za nový jav: elektrónovú lokalizáciu má štatistickú povahu, pretože je výsledkom interferencie mnohých odrazený vĺn Poznámka: pretože lokalizácia je daná vlnovou povahou pohybu kvantového elektrónu, môžeme očakávat, že podobne mô zeme pozorovat lokalizáciu svetla. Typeset by FoilTEX 34