メソスコピック物理学

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）の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して定義することもできます。ミクロスケールはバルク材料です。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。構成材料から得られる平均特性は、通常古典力学の法則に従うため、マクロスコピック物体を表しますが、対照的に、メソスコピック物体は平均の周りの熱変動の影響を受け、その電子的挙動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、メソサイズに縮小されると、量子力学的特性が明らかになり始めます。たとえば、マクロレベルでは、ワイヤの伝導率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、ワイヤの伝導率は量子化されます。つまり、増加は離散的または個別の全ステップで発生します。研究では、絶縁体、半導体、金属、超伝導体の物理学の理解を深めるために、実験的および理論的にメソスコピックデバイスを構築、測定、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ときに生じる基本的な実用的問題にも取り組んでいます。材料の機械的、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、ナノスケールでは材料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、材料全体の原子数に比べて重要ではありません。このサブ分野は主に、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によって製造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 100 nm (一般的なウイルスのサイズ) から 1 000 nm (一般的な細菌のサイズ) 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の 3 つのカテゴリは、干渉効果、量子閉じ込め効果、および帯電効果である。^{[2] [3]}

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、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 より大きい）内の電子は、エネルギー バンドまたは電子エネルギー レベルによって説明できます。電子は、さまざまなエネルギー レベルまたはバンドに存在します。バルク材料では、エネルギーの差はごくわずかであるため、これらのエネルギー レベルは連続していると説明されます。電子はさまざまなエネルギー レベルで安定するため、大部分は禁制エネルギー レベル（バンド ギャップと呼ばれる）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 レベルを持つ電子は少数で、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察できます。^[4]材料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材料のものから大幅に逸脱します。^[5] 材料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、バルク材料のように連続的ではなく、離散的になり、量子として測定されます。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分離があります。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。これらのシステム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幅に変化させます。^{[6] [7]}

量子ドットの電子エネルギーレベル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効果があります。量子ドットの表面の形状を変更すると、ドットのサイズが小さいことと量子閉じ込めの影響により、バンドギャップエネルギーも変化します。^[6]

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、電子の流れを変調します。メソスコピック干渉効果の実験的特徴は、物理量に再現可能な変動が現れることです。たとえば、特定の試料の伝導性は、実験パラメータの変動に応じて、一見ランダムに振動します。ただし、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、観察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、普遍的な伝導性変動として知られています。

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、および非結晶性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]}

• カルロ・ビーナッカー(1995)。 「量子ビリヤードのカオス」(PDF)。ライデン大学。2018 年6 月 14 日に取得。
• Harmans, C. (2003). 「メソスコピック物理学：入門」（PDF） . OpenCourseWare TU Delft . 2018年6月14日閲覧。
• ジャラバート、ロドルフォ A. (2016)。 「メゾスコピック輸送と量子カオス」。スカラーペディア。11 (1): 30946.arXiv : 1601.02237。Bibcode :2016SchpJ..1130946J。土井：10.4249/scholarpedia.30946。S2CID  26633032。