在不確定性原理面前,隧穿顯微鏡(STM)有什麼意義?

時間 2021-05-06 03:12:38

1樓:鄧超

用於測量的波,波長越長,測出來的關於位置的結果越不準確(好比乙個精確度低的尺子去量東西);為了提高精度,使用波長更短的波對目標進行測量(這時候尺子的精度提高了),但是由於波長短,能量就相對高些,對所測的目標造成的干擾就越大,就會增大誤差。所以,測不准了。而這個顯微鏡並不是這個原理

2樓:任浩

不確定性原理是指一對共軛物理量,比如時間(T)和能量(E),位置(X)和動量(P)等不能同時具有確定值,或者說測量這一對物理量,其精度是有極限的(蒲朗克常數)。這個跟STM貌似沒有太直接的關係。

然後我們來看STM測的是什麼東西。STM的原理是量子隧穿,即乙個微觀粒子在某種情況下可以隧穿過乙個經典禁阻的勢壘。STM實驗可以想象為這麼乙個影象:

我們將待測樣品放在乙個襯底上,而STM針尖懸於樣品上方,襯底和針尖由導線連線(當然真實情況複雜很多)。針尖和樣品之間形成乙個真空勢壘(一般實驗是在低溫真空腔內做的),這個真空勢壘在經典情況下是禁阻的,但電子可以以一定機率隧穿過去。當電子從樣品跑到針尖或者從針尖跑到樣品(這個取決於施加的偏壓的方向)時,儀器會記錄到有電流產生。

隧穿機率越大,電流越大。

發生電子隧穿的機率受很多環境和體系的性質影響。比如說針尖的性質(組成、結構、形狀等),針尖和樣品的距離,樣品本身的性質、偏壓、襯底的性質等。在某些情況下,我們可以認為隧穿電流主要由樣品及樣品跟針尖之間的相對位置決定。

再回頭看隧穿,電子在空間的分布是不均勻的,顯然乙個地方的電子密度越大,這裡反生隧穿的機率就越大。當我們保持其他引數不變,持續改變針尖和樣品之間的相對位置時(即「掃瞄」),會得到乙個位置--電流的關係,把這個東西表述為二維圖就是題主鏈結裡面的STM影象了。由於隧穿電流由當前位置的電子密度決定,因此這個影象也可以看成是電子密度在空間的分布。

上面我們用了「電子密度」一詞,這只是乙個折衷的說法,實際上應該是「態密度」,包括佔據態(此時等價於電子密度)和空態。這是因為,電子要隧穿過去,對岸也要有地方盛它才是,能容納這些蘿蔔的坑就是空態。比如說針尖上時負偏壓,樣品為正偏壓,這個時候電子是想從針尖跑到樣品上的,如果在某個地方樣品恰好有很多空態在那裡分布,這時電子跑到樣品上的機率就會很大。

態密度是體系波函式的模方,因此在某種程度上也可以說,STM影象表徵了波函式的空間分布。需要注意的是態密度的分布和原子的空間位置不一定是同步的。就是說某個態密度很大的地方不一定有原子存在,而某個有原子存在的地方態密度也不一定大(比如下面這個圖,每個C原子六元環只有三個亮斑)。

這些關係一般可以通過理論計算來確定。由於波函式或態密度的空間分布是原子尺度的,因此理想情況下可以通過STM得到原子尺度的影象。

這是一張私貨,

3樓:

個人理解:STM利用了電子位置的不確定性,從而能間接(不接觸)測量電子的密度。我想大概STM得到的原始資料就是電流強度/電子密度?

之後的步驟是根據電子密度來推測你所需要的資訊,比如原子排列(有原子的地方相對於沒有原子的地方,顯然電子密度更大),原子大小(大概?原子越大,對外層電子束縛越小,隧穿越顯著),等等。

樓主大概是在想,也許看到的/得到的資料是不確定的?同意一樓,原子的量子特徵很不明顯,可忽略。對電子來說,雖然有不確定性存在,但不確定性只是個標準差,有平均值基本就夠了。

就算在不確定性下,電子(當在原子內時)的運動還是很有規律的,並不是到處亂跑。可以把電子的位置想象成乙個高斯分布。

另:我在想,其實我們根本就不需要知道電子的準確位置吧。。。

update: 11/8/2013

做了近一年STM research之後重溫這個問題!!!!!!不確定性原理的意義 。。。其實和STM沒有什麼關係。

STM能看到電子分布,只能說明電子是在不停運動的,沒有任何關於某一時刻電子位置和速度關係的資訊。

但是另一方面說,電子隧穿效應是因為波粒二象性,波粒二象性能推導出不確定性原理。

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