Inzicht in het transport van elektronen in nanostructuren en biologische moleculen is van cruciaal belang voor het begrijpen van eigenschappen zoals elektrische geleidbaarheid of de biochemische gedrag van moleculen. Echter, is bepalen of de elektronen zich gedragen volgens de klassieke wetten van de beweging of de kwantummechanische regime op nanoschaal een uitdaging, omdat veel nanostructuren vallen in een grijs gebied tussen beide regelingen. Onderzoekers van de RIKEN Advanced Science Institute in Wako, met collega's uit Duitsland en Taiwan, hebben nu bedacht een reeks wiskundige vergelijkingen die kan genieten van klassieke onderscheiden van kwantummechanische gedrag van elektronen in nanostructuren.
Op een macroscopische schaal, objecten volgen de klassieke wetten van de beweging. Golf of biljartballen, bijvoorbeeld, zal volgen exacte, voorspelbare paden. Op microscopische schaal, voorwerpen zoals elektronen bewegen volgens de wetten van de kwantummechanica, waar processen zich voordoen in een probabilistische manier. Het meten van de eigenschappen van de quantum mechanische systemen, echter, is een uitdaging.
"In microscopische systemen, is het erg moeilijk om de ideale metingen uit te voeren zonder verstoring van het systeem", legt Neill Lambert van het onderzoeksteam. Als gevolg daarvan, metingen op kwantummechanische systemen zijn moeilijk te onderscheiden van invasieve metingen op klassieke systemen, zegt Franco Nori van RIKEN en de Universiteit van Michigan, die het onderzoek leidde team. "Het is belangrijk om er zeker van zijn dat de experimentele resultaten niet afkomstig zijn uit een klassiek effect, waardoor een verkeerde indruk van de quantum gedrag."
Als modelsysteem, kozen de onderzoekers voor het transport van elektronen door middel van zeer kleine stukjes van de materie bekend als quantum dots. "Zelfs het meten van de stroom die door een quantum dot is een invasieve meting van het systeem," Lambert notities. Het identificeren van quantummechanische effecten, hij en zijn collega's ontwikkelden een set van criteria, uitgedrukt als een wiskundige ongelijkheid relatie voor experimentele gegevens van deze quantum dots. Elke overschrijding van een kritische drempel in de formule door een parameter is een duidelijk teken van quantum gedrag. In hun simulaties van de onderzoekers verschillende regelingen vindt u op lage temperaturen, waar quantum effecten in de dynamiek van elektronen in de quantum dots te voorkomen.
De ongelijkheid relatie afgeleid door de onderzoekers is gebaseerd op fundamentele beginselen en geldt dus niet alleen voor het transport van elektronen door middel van quantum dots, maar ook voor veel open, microscopische elektron transport-systemen, zegt Nori. Hij gelooft dat het spoedig zal het makkelijker zijn om te bepalen of elektronen in nanostructuren de regels van de kwantummechanica volgen of neemt u de klassieke route van hun biljart-bal tegenhangers.