Mihály György

III. Az elektron fémekben

Elektronhullámok

Az alagútjelenség segítségével az elektronok viselkedése makroszkopikus méretű tárgyakban is tanulmányozható - például fémekben, félvezetőkben, vagy akár szupravezetőkben. Ezek a vizsgálatok meggyőzően szemléltetik, hogy a kvantummechanika nem korlátozódik az atomfizikai jelenségekre vagy a kis méretek világára.

Egy fémben az elektron kvantummechanikai hullámállapota azt jelenti, hogy az elektron egyforma valószínűséggel megtalálható a fém bármely pontján, sőt ez a valószínűség nem tűnik el ugrásszerűen a fém szélén, hanem folyamatosan esik nullára. A fémen kívüli előfordulás valószínűsége persze igen gyorsan, exponenciálisan csökken: ahogy távolodunk egyre kisebb, de azért mégsem egzaktul nulla. Az elektronhullámoknak ez a "kilógása" lehetővé teszi, hogy két fém között áram folyjék, mielőtt még ténylegesen összeérnének. Ez is alagúteffektus, s a következő animáció (gif, 301K) egy erre vonatkozó igen pontos mérést mutat. A kísérlet elvégzéséhez egy olyan eszközt építettünk a BME-n, amellyel a távolságot nagyon finoman lehet szabályozni: a mi esetünkben ez a pontosság az atomok távolságának századrésze.

A kvantummechanikai alagútjelenség adja az elvi alapját napjaink legpontosabb mikroszkópiai eljárásának. Az ún. pásztázó alagútmikroszkóp egy nagyon egyszerű berendezés, amivel atomi szinten lehet felületeket feltérképezni és manipulálni. Az eszköz kulcseleme egy precíz, három-dimenziós mozgatásokra alkalmas piezoelektromos henger, s a végére rögzített hegyes tű - lásd az animáción (swf). A tűből alagútáram folyik át a minta felületére, s mivel ez az áram nagyon érzékenyen változik a távolsággal, mérésével igen pontosan meg lehet határozni a tű távolságát a minta felületétől. A tű mozgatásával atomi pontossággal letapogathatjuk a felületet szerkezetét.

A pásztázó alagútmikroszkóppal megdöbbentő felvételek készíthetők. Ha például megnézzük egy frissen törött rézdarab felületét, atomi szinten látjuk a törésfelületet, sőt az elektonsűrűség hullámzását is (11. ábra). Ez a felvétel elég meggyőző ahhoz, hogy az elektronokat hullámoknak, és ne a fémben szaladgáló golyóknak tekintsük. Az elektronok hullámhosszából megállapítható energiájuk is. Ez nagyon magas értéknek adódik; akkora, mint a 60 000-100 000 ^oC-ra felmelegített klasszikus részecskék energiája. Ez a meglepően nagy energia egy alapvető fontosságú kvantum-elv, a Pauli-elv következménye. Szemben a klasszikus fizikával, ahol minden részecske a legalacsonyabb energiájú állapotba kerülhet, a kvantummechanikai állapotokban egyszerre legfeljebb egyetlen elektron tartózkodhat. Emiatt a fémben lévő elektronok nagy része "kénytelen" a már betöltött, alacsony energiájú állapotok helyett a magasabb energiájú (és ezáltal magasabb hőmérsékleteknek megfelelő) szinteket elfoglalni.

11. ábra

12. ábra

13. ábra

A pásztázó alagútmikroszkóp pontos pozícionálása lehetővé teszi, hogy akár egyes atomok is megtalálhatók legyenek. Ha például a felületre idegen atomokat szórunk, ezek megtalálhatók, sőt a tű leeresztésével akár odébb is tolhatók. Ezzel a módszerrel a felületen struktúrákat lehet kialakítani. Erre példa az ún. atomi korallok építése (12. ábra). A korallon belül látványos elektron-állóhullámok alakulnak ki (13. ábra).