Wo und Wie findet Quantenphysik ihre Anwendung in der (Elektro-)Technik? Was für Beispiele gibt es da?
Hab schon ihrer Anwendung beim Laser und bei Halbleitern gehört - aber wie?
Hm, ich finde die Frage etwas unkonkret, daher schwierig zu beantworten.
Also, es gibt eben eine Reihe von Effekten/Phänomenen, die mithilfe der klassischen Physik nicht erklärbar sind, sondern nur im Rahmen der Quantenmechanik.
Ein Beispiel ist die Ausbildung von Energiebändern im Festkörper, was zur Entstehung von Metallen, Halbleitern und Isolatoren führt.
Halbleiter wiederum sind wichtiger Bestandteil vieler elektronischer Bauelemente (z.B. Dioden, Transistoren,…).
Ein weiteres sehr schönes Beispiel ist der Tunneleffekt, auf dem z.B. die Rastertunnelmikroskopie beruht.
Röntgenstrahlung und Kernspinresonanz (-> medizinische Bildgebung) beruhen auf quantenmechanischen Effekten.
Die Existenz sämtlicher Elemente verdanken wir chemischen Bindungen, die ebenfalls quantenmechanisch erklärbar sind.
Ein relativ junges Forschunsgebiet ist Quantencomputing und Quantenkryptographie.
Und so weiter und so weiter. Das Internet (welches ohne QM auch nicht existieren würde, da es gar keine Computer gäbe) ist übrigens voll solchen Zusammenstellungen…
Hallo Tim,
es tut mir Leid, aber diese Frage kann ich nicht beantworten.
HaJo
Oha, das ist mal eine Frage!
Die Zener-Diode, die man gerne zur Spannungsstabilisierung nimmt, kann nur mit quantenmechanischen Modellen erklärt werden. Im Gegensatz zum Lawinendurchbruch (bei dem die Ladungsträger im elektrischen Feld der Verarmungszone einer in Sperrrichtung gepolten Diode so stark beschleunigt werden, dass sie genügend Energie aufnehmen, um weitere Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben, also weitere bewegliche Ladungsträger generiert werden, wodurch der Strom lawinenartig ansteigt) tunneln Elektronen aus dem Valenzband des p-Gebietes der in Sperrrichtung gepolten Diode durch die Verarmungszone (die nur wenige nm schmal ist wegen der beidseitig hohen Dotierung) direkt in das Leitungsband der n-dotierten Seite. Dabei müssten sie eine Energiebarriere, die der Bandlückenenergie des Halbleiters entspricht, überwinden wozu sie nicht genügend Energie haben. Da der Strom aber fließt müssen sie also durch die Energiebarriere tunneln. Das geht, weil sie quantenmechanisch als Welle beschrieben werden, die durch die Barriere in ihrer Ausbreitung gedämpft wird. Da ihre Amplitude zum Quadrat der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen entspricht, ist die Wahrscheinlichkeit nicht Null dafür, jenseits der Barriere Elektronen zu finden.
Der hier gewünschte Effekt stört aber bei heutigen Transistoren, wie sie im PC zu Milliarden arbeiten. Hier sind die Dimensionen so klien geworden, dass Verarmungszonen und Gateoxide ebenfalls in die Größenordnung kommen, dass Elektronen sie durchtunneln können, was zu zusätzlichen Verlusten und schlechteren Eigenschaften führt.
Moderne Laserdioden, wie sie im Internet an den Glasfasern sitzen (im Infrarot-Bereich) oder im CP-Spieler (rot) bzw. Blu-ray (blau) haben fast ausnahmslos sogenannte MQWs (multi quantum wells) also mehrere dünne Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandabständen übereinander. Die Elektronen und Löcher sind dann in den Bereichen „eingesperrt“, die den kleineren Bandabstand haben, da sie dort einen geringen Energiewert annehmen können. Erlaubt sind in diesem Potentialkasten allerdings nur solche Elektronen, deren Wellen genau hineinpassen (genauer: die Breite des Kastens muss ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge sein). Je schmaler der Kasten ist desto kürzer ist die Wellenlänge und damit desto höher die Energie der Elektronen. Da beim Laser die Elektronen aus dem Leitungsband mit den Löchern aus dem Valenzband rekombinieren und die entsprechende Energie als Photon (Lichtquant) abgeben, kann man durch die Dicke der Quantentöpfe die Emissionswellenlänge beeinflussen. Dass die Photonen phasenrichtig erzeugt werden ist übrigens auch ein quantenmechanischer Effekt.
Neben diesen Beispielen gibt es noch andere, wie Tunneldioden (dort werden mehrere Schichten durchtunnelt) oder Quantencascaden-Laser (bei denen die IR-Strahlung nur durch Übergänge von Elektronen innerhalb der Quantentöpfe entsteht - also ohne Löcherbeteiligung).
Das Bändermodell selbst ist übrigens das Resultat einer quantenmechanischen Betrachtung des periodischen Potentials der im Krstall angeordneten Atome.
Ich hoffe, dass diese Beispiele reichen.
hhw
Hallo Tim,
gib doch einfach mal „Anwendung der Quantenmechanik“ bei google ein. Da findest du zahlreiche Beispiele. Hier zum Beispiel: http://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/quanten-t…
Viele Grüße, Fanny
Wo und Wie findet Quantenphysik ihre Anwendung in der
(Elektro-)Technik? Was für Beispiele gibt es da?
Hab schon ihrer Anwendung beim Laser und bei Halbleitern
gehört - aber wie?
Hallo!
Also, erstmal, eine genaue Antwort darauf habe ich auch nicht, aber ich kann dir Folgendes sagen:
Die Quantenphysik beschäftigt sich ja mit den Eigenschaften kleinster Teilchen, mit Photonen, Elektronen und Positronen. Die Quantentehorie erklärt Vorgänge im Atom genauer, auch wenn durch die Heissenberg’sche Unschärferelation nie genaue Messungen gemacht werden können. Durch das Verständnis der Vorgänge konnte die Elektrotechnik profitieren, d.h. es wurde ducrh die Quantenphysik z.B. der Transistor entdeckt. Die Anwendung mit dem Laser geht auf das Verständnis von Licht zurück. Hier wurde die Frage gestellt, was Licht ist. Laser sind Lichtquellen mit langen Wellen- bzw. Teilchenabschnitten, wodurch sie gerne für versuche verwendet werden und in der Elektrotechnik für Messungen verwendet werden. Bei halbleitern spielt wieder die Frage nach den Vorgängen in einem Atom die Rolle. Quantensprünge und freie Elektronen machen hier die Quantenphysik in der Elektrotechnik brauchbar.
Ich hoffe mal ich konnte vll ein bisschen helfen.
Grüße
Bell
Hallo Tim,
Wo und Wie findet Quantenphysik ihre Anwendung in der
(Elektro-)Technik? Was für Beispiele gibt es da?
Ich kenne den „Fostac Maximus“, der bereits seit mehreren Jahren in tausenden von Elektroanlagen eingebaut wurde. Ein besonderer Vorteil ist dabei, die Rückgabegarantie nach 2 Jahren, sofern tatsächlich kein positiver Effekt eingetreten sein sollte!
Hab schon ihrer Anwendung beim Laser und bei Halbleitern gehört - aber wie?
nein, bisher noch nicht. Würde mich auch interessieren.
VG J. Göhler
hier kann ich leider aus der praxis nicht weiterhelfen, anderer fachbereich, sorry
hat sich mittlerweile längst erledigt… die fertige Facharbeit gibts hier: http://die40.de/epochen/physik/log/Facharbeit_Quante…
Trotzdem Danke!
hier kann ich leider aus der praxis nicht weiterhelfen,
anderer fachbereich, sorry