Введение

Понятие в квантовой механике

Потенциальная яма — это область вокруг локального минимума потенциальной энергии. Энергия, заключенная в потенциальной яме, не может перейти в другой вид энергии (например, в кинетическую энергию в случае гравитационной потенциальной ямы), поскольку она удерживается в локальном минимуме потенциальной ямы. Следовательно, тело не может достигнуть глобального минимума потенциальной энергии, что оно сделало бы естественным образом из-за энтропии.

Обзор

Энергия может быть высвобождена из потенциальной ямы, если в систему добавлено достаточно энергии для преодоления локального максимума. В квантовой физике потенциальная энергия может покинуть потенциальную яму без добавления энергии благодаря вероятностной природе квантовых частиц; в таких случаях можно представить, что частица туннелирует сквозь стенки потенциальной ямы. График двухмерной функции потенциальной энергии представляет собой поверхность потенциальной энергии, которую можно представить как земную поверхность в ландшафте холмов и долин. Тогда потенциальная яма будет представлять собой долину, окруженную со всех сторон более высоким рельефом, которую, таким образом, можно заполнить водой (например, образовать озеро), не допуская ее стекания к другому, более низкому минимуму (например, к уровню моря). В случае гравитации область вокруг массы является гравитационной потенциальной ямой, если только плотность массы не настолько мала, что приливные силы от других масс превышают силу гравитации самого тела. Потенциальный холм является противоположностью потенциальной ямы и представляет собой область, окружающую локальный максимум.

Квантовая изоляция

Квантовое ограничение можно наблюдать, когда диаметр материала сопоставим с длиной волны де Бройля электронной волновой функции. Когда материалы достигают таких малых размеров, их электронные и оптические свойства значительно отличаются от свойств объемных материалов. Частица ведет себя как свободная, когда размер ограничения велик по сравнению с длиной волны частицы. В этом состоянии ширина запрещенной зоны остается неизменной из-за непрерывного энергетического состояния. Однако, по мере уменьшения размера ограничения и достижения определенного предела, обычно в наномасштабе, энергетический спектр становится дискретным. В результате, ширина запрещенной зоны начинает зависеть от размера. При уменьшении размера частиц электроны и дырки сближаются, и энергия, необходимая для их возбуждения, возрастает, что приводит к синему смещению в спектре излучения. В частности, эффект описывает явление, возникающее из-за сжатия электронов и дырок в размер, приближающийся к критическому квантовому размеру, называемому радиусом Бора экситона. В современных применениях квантовая точка, например, маленькая сфера, ограничена в трех измерениях, квантовая проволока – в двух, а квантовый колодец – только в одном. Они также известны как потенциальные ямы нулевого, первого и второго порядков соответственно. В этих случаях речь идет о количестве измерений, в которых ограниченная частица может вести себя как свободный носитель заряда. Примеры применения в биотехнологиях и солнечной энергетике приведены в ссылках ниже.