當原子中的電子，獲得足夠的能量，且鄰近亦有其他原子(如其他量子點)可接納此電子之處，該電子可跳躍而出進入鄰近的其他原子

當原子中的電子，獲得足夠的能量，且鄰近亦有其他原子(如其他量子點)可接納此電子之處，該電子可跳躍而出進入鄰近的其他原子

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穿隧效應
穿隧效應的原理
在量子力學裏，量子穿隧效應為一種量子特性，例如電子等微觀粒子能夠穿過它們本來
無法通過的「障壁」的現象。
根據量子力學，微觀粒子具有波的性質，而有不為零的機率穿過位能障壁。
而所謂的穿隧效應就是指粒子可穿過比本身總能量高的能量障礙。
穿隧效應的原理

• 以古典力學的角度來看
• 向牆壁投擲小球時，小球不可能穿過牆壁，因此反彈回來在日常生活中，所有運動皆遵從基本的力學原理

穿隧效應的原理

• 以量子力學來看
• 我們通常認為電子是粒子。但是，當很多電子撞擊一層很薄的障礙物時，量子力學預測電子的表現像波動多於像粒子。結果，有一些電子仍然被反彈回來，但另一些電子竟能穿越障礙物。

穿隧效應的原理

• 當原子中的電子，獲得足夠的能量，且鄰近亦有其他原子(如其他量子點)可接納此電子之處，該電子可跳躍而出進入鄰近的其他原子

穿隧效應的原理

• 簡單來說
• 好比水波沖擊堤防，有一小部分的水可以穿越堤防的裂縫一樣。

歷史

• 科學家最早注意到的隧道效應現象是放射性α衰變，1928 年，喬治·伽莫夫正確地用量子穿隧效應解釋了原子核的 α衰變。

• 美籍俄裔物理學家、

天文學家、科普作家

歷史（續）

• 同時期，Ronald Gurney 和 Edward Condon 也獨立地研究出α衰變的量子穿隧效應。不久，兩組科學隊伍都開始研究粒子穿透入原子核的可能性。
• 愛德華勒康登（Edward Condon）（1992年3月2日－1974年3月26日）是個美國傑出的核物理學家。在量子力學的先驅，於二戰期間參予發展核武器和雷達。

歷史（續）

• 江崎玲於奈1973年獲頒諾貝爾物理獎。
• 穿隧效應是一種量子力學效應，說明電子可穿越一個位能障礙，打破古典理論預測它無法穿越的門檻，以量子物理的觀點來看，是有可能的。

穿隧效應的應用

掃描穿隧顯微鏡 (STM)

掃描穿隧顯微鏡 (STM)

• 掃描隧道顯微鏡是一種利用量子力學的隧道效應的非光學顯微鏡
• 它於1981年由格爾德·賓寧及海因里希·羅雷爾發明

掃描穿隧顯微鏡 (STM)

• 它是一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子
• 它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的解析度

掃描穿隧顯微鏡 (STM)和原子力顯微鏡（AFM）的差別
名稱
(STM)
（AFM）
歷史
1981年，IBM的G.Binning和H.Rohrer
1985年G.Binning等人
操作原理

應用量子力學中的隧道效應
依靠針點頂端與樣品原子之間的微弱的互相作用力
解析度
橫向0.1nm~0.2nm，縱向0.01nm,比原子力顯微鏡的解析度高出一個級別
橫向1nm縱向0.1nm
準備工作
較繁瑣
較簡單
樣品
可以浸在水或其他液體中
樣品表面乾燥
操縱
可以用來移動和操縱單個原子或分子，

只能操縱單個分子
工作方式
工作方式(續)

• 掃描穿隧顯微鏡下的石墨

應用
觀察微小(奈米)物體的表面
形貌此外掃描隧道顯微鏡
在低溫（4k）
可以探針尖端精確操縱原子
應用(續)

• 1990年IBM科學家在絕對溫度4度下，，將37個氙原子製造出世界上最小字的「IBM」

結語

• 是顯微鏡技術的一大進展，也成為往後奈米技術中的主要分析工具，專門用來觀測金屬或半導體的表面。

END

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[转载]生命中的量子力学效应

已有 806 次阅读2011-11-29 15:32|系统分类:科研笔记|关键词:face office center

生命中的量子力学效应

对于一个物理学家来说，生命真是不可思议：那些生命中的分子，可以说全是傻瓜，可聚集在一起却能表现出智慧的行为。长期以来，活体组织被认为是某种奇妙物质，而今天我们知道，在生物体中完全没有所谓“特异生命力”在起作用。事实上，只是：寻常的物质在做超乎寻常的事。而且，无论何时何地这些物质均服从基本的物理定律。那么，生命中令人费解的特性，其秘密何在呢？最近，来自美国亚利桑那州立大学的物理和太空生物学家Paul Davies撰文，阐述了量子力学在解释生命现象方面的进展。

上世纪40-50年代，在量子力学解释非生命物质获得巨大成功之后，一批物理学家（包括，玻尔、海森堡等）希望他们的理论也能解释有生命的物质。1944年，薛定谔的小书《生命是什么》发表，由此开启了分子生物学的视窗。不幸，时至今日量子力学在“生/死界限法则”方面的解释, 并没有比经典分子生物学更有说服力。然而，仍有许多研究者坚持主张：量子力学效应（如，相干叠加和纠缠等）很可能在生命中起基础作用（如，量子协助的蛋白质折叠，人脑中意识过程中的量子力学等）。

量子效应（隧穿、叠加和纠缠）还可能是促进某些生命的必要过程，而按照经典物理，这些过程进展太慢或者根本不可能发生。此外，量子不确定性对所有分子过程的保真度设置了一个基本限制。一个细胞为完成它的使命，必须有正确的部件在正确的时间处于正确的位置。生命过程进化的程度将受到“速度和正确度”这一对共轭量不确定性的制约。

关于生命，历史上所谓“奇妙物质”的观点，现在已经被细胞模型（作为一个复杂系统）所取代。这个系统是纳米机械的联合体，它们在DNA编码的数字软件的操控下工作。纳米机械主要由蛋白质构成，分别具有抽吸、旋转、棘轮、探针、杠杆和传感器等功能。经过漫长年代的进化，这些功能的精巧程度超乎寻常，高效且具有多样性。另一方面，也给纳米技术工程师带来了灵感。

量子物理对生命科学的重要性，在最近的光合作用研究中得到展示。生物体获取光能，裂解水分子，过程中单个光子可以产生联级反应，效率极高。光能的主要受体是色素分子的复合体，它们先是被激发，然后在一个多级过程中把激发能传至最后的反应中心，导致电荷分离。因为光子的波长比分子复合体的尺寸大得多，许多激发的色素分子之叠加态在一开始就产生了。研究表明，最高幅值的光子激发可以多次逗留于不同的色素分子。这使得几百飞秒的相干过程具有更大的收益，即生命系统可以更多更快地（与经典统计力学的预言相比）收获光子的相干激发能。量子力学机制通过同时提供多通道能量迁移路径，实现了光合作用效率的最佳化。

任何物质的磁学性质都只能用量子力学予以解释, 鸟类在迁徙的过程中利用地球磁场的机制也不例外。最近的研究表明，欧洲知更鸟使用其视网膜中的取向蛋白质阵列，作为地磁场的敏感器，引导自己的迁徙飞行。地磁场穿透整个有机体，问题是：磁场相对于鸟体的角度，如何能够被翻译成指导飞行的神经信号？取向蛋白质二维阵列的光激活，产生基本离子对，它具有的双电子态是“单态”。两个纠缠电子的总自旋原本为零。如果两电子之一受激被抛出微小距离，尽管两者仍将体验到同样的地磁场，但束缚于蛋白质离子中的电子还会受到离子核磁矩的影响，从而产生超精细劈裂。这一被两个纠缠电子体验到的磁场差别，将引起“单态——三重态”振荡，而振荡的周期依赖于地球磁场相对于蛋白质阵列的强度和方向。另一方面，振荡周期也与离子对受激的化学反应成比例，而化学反应产物的量(它表征地球磁场)将刺激知更鸟的神经。

量子力学系统与环境的相互作用将打破原有的相干性或严格的位相关系，以至于系统从量子蜕变为经典。温度越低，相干性越容易保持。计算给出，在人体温度下，许多生物化学过程的退相干时间小于10^-13 秒。在实际生命体中，保持相干的时间往往长得多。其中的原因可能在于：生命体是高度非线性的，它们远离热力学平衡态。

（戴闻 编译自 Physics World ，2009年7期：pp24 - 28）