Кіріспе
Мезоскопиялық физикада баллистикалық өткізгіштік (баллистикалық тасымалдау) — заряд тасымалдаушылардың (әдетте электрондардың) немесе энергия тасымалдаушы бөлшектердің материалдағы салыстырмалы түрде ұзақ қашықтыққа едәуір аз шашыраумен ағысы (немесе көлігі). Жалпы, материалдың кедергісі болуының себебі, электрон ортада қозғалғанда, қоспалар, ақаулар, кристалдық қатты денедегі иондардың жылулық тербелістері немесе, жалпы алғанда, газ немесе сұйықтықты құрайтын еркін қозғалатын кез келген атом/молекула арқылы шашырауы болып табылады. Шашырау болмаған жағдайда, электрондар релятивистік емес жылдамдықтарда Ньютонның екінші заңына бағынады. Бөлшектің орташа еркін жолы — бөлшек соқтығысуға дейін, яғни оның импульсін өзгерте алатынға дейін еркін жүріп өте алатын орташа қашықтық ретінде сипатталады. Орташа еркін жолды кристалдағы қоспалардың мөлшерін азайту немесе оның температурасын төмендету арқылы ұзартуға болады. Баллистикалық тасымалдау бөлшектің орташа еркін жолы бөлшектің өтетін ортаның өлшемінен (әлдеқайда) ұзын болған кезде байқалады. Бөлшек тек қана қабырғаларға соқтығысқанда ғана қозғалысын өзгертеді. Ауада/вакуумда ілінген сымның беті электрондарды кері қайтаратын және оларды бос кеңістікке/ашық ауаға таралуына кедергі келтіретін қоршау рөлін атқарады. Бұл электронды ортадан шығару үшін белгілі бір энергия жұмсалуы керек болғандықтан (жұмыс функциясы). Баллистикалық өткізгіштік көміртек нанотүтікшелер немесе кремний наносымдар сияқты квази-бір өлшемді құрылымдарда жиі кездеседі, себебі бұл материалдардағы өлшемдік кванттану эффектісі өте күшті. Баллистикалық өткізгіштік электрондармен (немесе тесіктермен) ғана шектелмейді, сонымен қатар фонондарға да қатысты болуы мүмкін. Теориялық тұрғыдан басқа квазибөлшектерге де баллистикалық өткізгіштік қолданылуы мүмкін, бірақ бұл әзірге тәжірибелік тұрғыдан расталмаған. Мысалы, металл наносымда баллистикалық тасымалдауды байқауға болады: сымның өте кішкентай мөлшері (нанометрлік масштаб немесе 10−9 метрлік масштаб) және орташа еркін жолы металлдан ұзын болуы мүмкін. Баллистикалық өткізгіштік суперөткізгіштіктен 1) шекті, нөлдік емес кедергісімен және 2) материалда Мейснер эффектісінің болмауымен ерекшеленеді. Кедергінің болуы, жылудың "баллистикалық" өткізгіштен тыс жетектерде таратылатынын білдіреді, онда серпімсіз шашырау эффектісі болуы мүмкін.
In mesoscopic physics, ballistic conduction (ballistic transport) is the unimpeded flow (or transport) of charge carriers (usually electrons), or energy carrying particles, over relatively long distances in a material. In general, the resistivity of a material exists because an electron, while moving inside a medium, is scattered by impurities, defects, thermal fluctuations of ions in a crystalline solid, or, generally, by any freely moving atom/molecule composing a gas or liquid. Without scattering, electrons simply obey Newton's second law of motion at non relativistic speeds. The mean free path of a particle can be described as the average length that the particle can travel freely, i. e., before a collision, which could change its momentum. The mean free path can be increased by reducing the number of impurities in a crystal or by lowering its temperature. Ballistic transport is observed when the mean free path of the particle is (much) longer than the dimension of the medium through which the particle travels. The particle alters its motion only upon collision with the walls. In the case of a wire suspended in air/vacuum the surface of the wire plays the role of the box reflecting the electrons and preventing them from exiting toward the empty space/open air. This is because there is an energy to be paid to extract the electron from the medium (work function). Ballistic conduction is typically observed in quasi 1D structures, such as carbon nanotubes or silicon nanowires, because of extreme size quantization effects in these materials. Ballistic conduction is not limited to electrons (or holes) but can also apply to phonons. It is theoretically possible for ballistic conduction to be extended to other quasi particles, but this has not been experimentally verified. For a specific example, ballistic transport can be observed in a metal nanowire: due to the small size of the wire (nanometer scale or 10−9 meters scale) and the mean free path which can be longer than that in a metal. Ballistic conduction differs from superconductivity due to 1) a finite, non zero resistance and 2) the absence of the Meissner effect in the material. The presence of resistance implies that the heat is dissipated in the leads outside of the "ballistic" conductor, where inelastic scattering effects can take place.
Маңыздылық
Баллистикалық өткізгіш электрондық толқын функцияларының кванттық механикалық қасиеттерін пайдалануға мүмкіндік береді. Баллистикалық тасымалдау толқын механикасы тұрғысынан когерентті болып табылады. Екі жақтан келетін интерференция, кеңістіктік резонанс (және басқа да оптикалық немесе микротолқынға ұқсас эффектілер) сияқты құбылыстар наноөлшемдегі электрондық жүйелерде, соның ішінде наносымдар мен нанотұйықтарда қолданылуы мүмкін. Электрлік контактінің кедергісі немесе ЭКҚ, дөңгелек емес интерфейс арқылы ток ағуы шектеулі контактілік нүктелерге шектелген кезде туындайтын кең таралған құбылыс. Бұл контактілік нүктелердің мөлшері мен таралуы электрлік контактіні құрайтын беттердің топологиялық құрылымымен анықталады. Атап айтқанда, жоғары фракталдық өлшемге ие беттерде контактілік нүктелер өте кішкентай болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда, егер контактілік нүктенің радиусы электрондардың орташа еркін жүріс жолынан кем болса, кедергі Шарвин механизмімен анықталады, онда электрондар осы микроконтактілер арқылы баллистикалық түрде қозғалады, ал кедергі мына формуламен сипатталады:
Бұл шарт, және екі жанасатын беттердің нақты кедергісіне сәйкес келеді, Шарвин кедергісі деп аталады. Баллистикалық электрондық өткізгіштікті қамтамасыз ететін электрлік контактілер Шарвин контактілері деп аталады. Егер контактілік нүктенің радиусы электрондардың орташа еркін жүріс жолынан артық болса, контактілік кедергі классикалық түрде қарастырылуы мүмкін.
Мысалдар
Жоғарыда айтылғандай, көміртекті нанотүтіктер немесе графенді нанобайтақтар сияқты наноқұрылымдар көбінесе баллистикалық деп есептеледі, бірақ бұл құрылғылар баллистикалық өткізгіштікке тек өте жақын. Бөлме температурасында олардың баллистикалық сипаттамасы шамамен 0,9-ды құрайды.
Көміртек нанотүтіктері мен графен нанотаспалары
Бөлме температурасында басым таралу механизмі – электрондардың оптикалық фонондарды шығаруы болып табылады. Егер электрондар жеткілікті мөлшерде фонондармен шашыраспаса (мысалы, шашырау жиілігі төмен болса), орташа еркін жүріс жолы өте ұзын болады (m). Сондықтан, нанотүтік немесе графенді нанотаспа, егер құрылғы арқылы өтетін электрондар тым көп фонондармен шашыраспаса және құрылғының ұзындығы шамамен 100 нм болса, жақсы баллистикалық өткізгіш бола алады. Мұндай көліктік режим нанотаспаның шеттерінің құрылымы мен электронның энергиясына байланысты екені анықталды.
Изотоптық байытылған алмаз
Изотоптық таза алмастың жылу өткізгіштігі едәуір жоғары болуы мүмкін. Жылу өткізгіштігінің тізіміне қараңыз.