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1、简介由微观粒子波动性所确信的量子效应。又称势垒贯穿1。考虑粒子运动碰到 一个高于粒子能量的势垒，依照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；依照量子力 学能够解出除在势垒处的反射外，还有透过势垒的，这说明在势垒的另一边，粒子 具有必然的概率，粒子贯穿势垒。理论计算说明，关于能量为几电子伏的电子，方 势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几； 而当势垒宽度为10时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应 是一种的量子效应，关于宏观现象，事实上不可能发生。隧道效应在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过 势垒的。关于微观，量子力学
2、却证明它仍有必然的概率穿过势垒，实际也正是如此, 这种现象称为隧道效应。关于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可 能超过总能量。却证明这种核间距仍有必然的概率存在，此现象也是一种隧道效应。 隧道效应是明白得许多的基础。隧道效应概述在两层导体之间夹一薄绝缘层，就组成一个电子的隧道结。实验发觉电子能够 通过隧道结，即电子能够穿过绝缘层，这即是隧道效应。使电子从金属中逸出需要 逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低于是电子隧道结对电子的作 用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。所谓效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为Inm（10-6mm）,
3、如氧化薄膜），当两头施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部份微粒子在E VV的条件下，能够从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。产生隧道效应的缘故是电子的波动性。依照，在低速情形下，具有（）E的电 子的波长隧道效应入二72mE（其中，h； m电子质量；E的动能），在势垒V前：假设EV,它进入势垒V区时，将波长改变成h入二72m （E-V）假设EVV时，虽不能形成有必然波长的波动，但电子仍能进入V区的必然深 度。当该势垒区很窄时，即便是动能E小于势垒V,也会有一部份电子穿透V区而 自身动能E不变。换言之，在EVV时，电子入射势垒就必然有电子波存在，但也 有透射波存在。原理经典学以为，物
4、体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量那么不能越 过，大于隧道效应此能量那么能够越过。例如骑过小坡，先使劲骑，若是坡很低，不蹬自行车也能靠 惯性过去。若是坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退归去。量子力学那么以为，即便粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部份 粒子反弹，还会有一些粒子能过去，仿佛有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunn eli ng）。可见，宏观上的确信性在微观上往往就具有不确信性。尽管在通常的 情形下，隧道效应并非阻碍经典的宏观效应，因为隧穿概率极小，但在某些特定的 条件下宏观的隧道效应也会显现。发觉者1957年，受雇于的江崎玲於奈（Leo Esa
5、ki，1940）在改良高频2T7的进程 中发觉，当增加两头的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象 说明为隧道效应。尔后，江崎利用这一效应制成了（也称）。1960年，美裔籍科 学pv4JckKtiLjl Kh kLrx anj rxdur4* L Ar，, vruii.-J Lj-*4taaiiLiin inidrhM)i aSi隧道效应Co的实验值与理论值有必然差距。在磁隧道阀中，磁场克服的铁磁层的矫顽力就可 使它们的磁化方向转至磁场方向而趋于一致，这时TMR为极小值；假设将磁场减 小至负，矫顽力小的铁磁层的磁化方向第一反转，两铁磁层的磁化方向相反，隧道 电阻为极大值。由于只需
6、反转一个单纯的铁磁层，因此只需一个超级小的外场即可 实现TMR极大值，因此其磁场灵敏度极高。Fe/AI2O3/Fe和CoFe/AI2O3的磁场 灵敏度别离为8%/0e和5%/0e。这些结果是多层膜的GMR及氧化物的CMR远所 难及的。另外，在磁隧道结中能够通过改变氧化层的厚度来改变零场下的电阻值， 而磁隧道结电阻值并非因此而改变的。这在金属多层膜中是很难实现的。如此依照 不同的器件的驱动不同能够设计出不同的磁隧道结。尔后如能解决氧化层的稳固制 备和制备进程中铁磁层的氧化问题，其工业应用前景超级可观。另外若是技术手腕 能够保证的话，制备多层氧化隧道结或许能够取得更为丰硕的物理效应和应用价值。 隧
7、道结的磁电阻效应取得了冲破以后，人们受颗粒膜的启发又在Ni-SiO2, Co-SiO2, Fe-MgF2和Fe-SiO2的铁磁绝缘物颗粒膜中发觉了高的磁电阻效应。实验说明该体 系中磁电阻效应与磁性颗粒的大小有关，数值不大，饱和场较高，应用的前景可能 不大。宏观量子隧道效应各类元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与 量子力学已用能级的概念进行了合理的说明，由无数的原子组成固体时，单独原子 的能级就并合成能带，由于电子数量很多，能带中能级的间距很小，因此能够看做 是持续的，从能带理论动身成功地说明了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与 区别，对介于原子、分子与大块固体之间
8、的超微颗粒而言，大块材料中持续的能带 将割裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁 场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性， 称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时能够变成绝缘体，磁矩的大 小和颗粒中电子是奇数仍是偶数有关，比热亦会反常转变，光谱线会产生向短波长 方向的移动，这确实是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下 必需考虑量子效应，原有宏观规律已再也不成立。*E班P AHincwwig parlJcip w即曲l皿斶FMKluCCK prota&ili*% bur：- -rfmIumcI 。呻 gyl隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。最近几年来，人们发觉一些宏 观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应， 称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观
