15-mavzu. Kvant nuqta, kvant sim, kvant o‘ralar va ularning qo‘llanish sohalari

Kvant tuzilmalarning qo‘llanilishi
Hozirdanoq kvant tuzilmalar elektronikaning barcha jabhalarida keng qo‘llanila boshlangan. Xususan, kvant tuzilmalar asosida yaratilgan o‘ta yuqori chastotali tunnel diodlar, tranzistorlar, yarim o‘tkazgichli lazerlar, turli datchiklar va sensorlar, kvant kompyuterlar uchun mikroprotsessorlar zamonaviy elektronikaning asosi bo‘lib hisoblanmoqda.
Rezonansli tunnel diod - klassik zarracha, to‘liq energiyasi potentsial to‘siq energiyasidan katta bo‘lsagina undan oshib o‘tadi, kichik bo‘lsa zarracha to‘siqdan qaytadi va teskari tomonga harakatlanadi. Kvant zarracha esa boshqacha harakatlanadi: uning energiyasi etarli bo‘lmasa ham to‘siqni to‘lqin kabi engib o‘tishi mumkin. To‘liq energiyasi potentsial energiyadan kam bo‘lsa ham to‘siqni oshmasdan o‘tish ehtimoli mavjud ekan. Bu kvant hodisa «tunnel samarasi» nomini oldi va u rezonansli tunnel diodida foydalaniladi.
Kvant tuzilmalar lazerlar tayyorlashda muvaffaqiyatli qo‘llanilmoqda. Bugungi kunda kvant chuqurliklar asosida yaratilgan samarali lazer qurilmalari iste'molchilar bozoriga etib bordi va tolali-optik aloqada muvaffaqiyatli qo‘llanilmoqda.
Qurilmalar tuzilishi va ishlashi quyidagicha: birinchidan, har qanday lazer uchun
energetik sathlarning invers zichlanishini oshirish lozim. Boshqacha aytganda, yuqori energetik sathda quyi sathdagiga qaraganda ko‘proq elektronlar joylashishi kerak bo‘lib, termik muvozanat holati paytida buning aksi bo‘ladi. Ikkinchidan, har bir lazerga optik rezanator yoki elektromagnit nurlanishni ishchi hajmga to‘playdigan qaytargichlar sistemasi zarur.
Kvant chuqurlikni lazerga aylantirish uchun uni elektronlar kiruvchi va chiqib ketuvchi ikki kontaktga ulash lozim. Kontakt orqali elektron o‘tkazuvchanlik zonasiga kirgan elektron sakrab, o‘tkazuvchanlik zonasidan valent zonasiga o‘tadi va ortiqcha energiyasini kvant, ya'ni elektromagnit to‘lqin shaklida nurlantiradi. Keyin valent zonadan boshqa kontakt orqali chiqib ketadi. Kvant mexanikasida nurlanish chastotasi (5) shart bilan aniqlanishi ma'lum. Bu yerda Es1, E v1 mos holda o‘tkazuvchanlik zonasi va valent zonadagi birinchi energetik sathlar energiyasi. Lazer hosil qilgan elektromagnit nurlanish asbobning markaziy ishchi sohasida to‘planishi lozim. Buning uchun ichki qatlamlarning sindirish ko‘rsatkichi tashqarinikidan katta bo‘lishi kerak. Ichki soha to‘lqin uzatgich vazifasini o‘taydi deyish ham mumkin. To‘lqin uzatgich chegaralariga qaytaruvchi oynalar o‘rnatilib, ular rezonator vazifasini bajaradi.
Kvant chuqurliklar asosidagi lazerlar oddiy yarim o‘tkazgichli lazerlarga qaraganda qator afzalliklarga ega. Ularga quyidagilarni kiritish mumkin: generatsiyalanayotgan lazer chastotasini boshqarish imkoni, optik nurlanishda befoyda so‘nishning kamligi, invers zichlanishni hosil qilish elektron gazlarda osonligi tufayli kam tok talab qilinadi va ko‘proq yorug‘lik beriladi. Shu tufayli ularning foydali ish koeffitsienti 60 foizgacha etadi.
Hozirda ham kvant chuqurliklar asosida lazerlar tayyorlash bo‘yicha dunyoning ko‘pgina laboratoriyalarida keng qamrovli ishlar olib borilmoqda. Aynan tolalioptik aloqada qo‘llanilayotgan lazerlar yaratishdagi xizmatlari uchun 2003 yili rus olimi J. Alfyorovga Nobel mukofoti berilgan edi.