Импульсный туннельный эффект: фундаментальные основы и перспективы применения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

2.6.6 НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

(ТЕХНИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ)

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213 УДК: 666.3.017:620.18 ГРНТИ: 47.09.48 EDN: EWSBUT

Импульсный туннельный эффект: фундаментальные основы и перспективы применения

Р.Х. Рахимов ©

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан

E-mail: [email protected]

Аннотация. В первой части статьи рассмотрены фундаментальные аспекты импульсного туннельного эффекта как единого механизма для описания туннельных явлений в различных областях физики. Проанализированы основные положения теории импульсного туннелирования, разработанной Келдышем. Рассмотрены особенности реализации эффекта в оптике, наноэлектронике, для перовскитов и других материалов. Показана роль когерентности излучения. Обсуждаются перспективы регулирования свойств материалов и наблюдения нестандартных явлений благодаря ИТЭ. Во второй части рассматриваются тонкости импульсного туннельного эффекта как основополагающего механизма взаимодействия излучения с веществом. Анализируются преимущества ИТЭ по сравнению со стандартным квантовым туннельным эффектом. Особое внимание уделено роли когерентности излучения и однонаправленной поляризации при импульсном воздействии. Рассмотрены особенности проявления эффектов в оптике, нанотехнологиях и биологии. Показана перспективность использования ИТЭ для создания новых функциональных материалов и эффективных технологий.

Ключевые слова: импульсный туннельный эффект, когерентное излучение, функциональные материалы, сверхпроводимость, наноматериалы, энергоэффективность

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Рахимов Р.Х. Импульсный туннельный эффект: фундаментальные основы и перспективы применения // Computational nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 193-213. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213. EDN: EWSBUT

HAHOTEXHOflOmM M HAHOMATEPMA^H NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213

Pulse Tunnel Effect:

Fundamentals and Prospects for Application

R.Kh. Rakhimov ©

Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan

E-mail: [email protected]

Abstract. In the first part of the article discusses fundamental aspects of the pulsed tunneling effect as a unified mechanism for describing tunneling phenomena in various fields of physics are considered. The main provisions of the pulsed tunneling theory developed by Keldysh are analyzed. The features of the effect's implementation in optics, nanoelectronics, perovskites and other materials are examined. The role of coherent radiation is shown. The prospects of regulating material properties and observing non-standard phenomena due to PTE are discussed. In the second part of the article discusses examines the subtleties of the pulsed tunneling effect as a fundamental mechanism of interaction of radiation with matter. The advantages of the ITE compared to the standard quantum tunneling effect are analyzed. Particular attention is paid to the role of radiation coherence and unidirectional polarization during pulsed exposure. The features of the manifestation of effects in optics, nanotechnology and biology are considered. The prospects for using ITEs to create new functional materials and effective technologies are shown.

Key words: pulsed tunneling effect, coherent radiation, functional materials, superconductivity, nanomaterials, energy efficiency

f -\

FOR CITATION: Rakhimov R.Kh. Pulse Tunnel Effect: Fundamentals and Prospects for Application. Computational

Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 193-213. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213. EDN: EWSBUT

V J

ЧАСТЬ 1

ВВЕДЕНИЕ

На данном этапе работы исследуется предполагаемый механизм импульсного туннельного эффекта (ИТЭ), который объясняет способность функциональной керамики преобразовывать энергию солнечного излучения в импульсы в инфракрасном диапазоне и оказывать избирательное воздействие на выбранные процессы. Предлагается, что падающее излучение взаимодействует с частицами керамики, вызывая колебания кристаллической решетки, известные как фононы. При нарастании количества фононов происходит их переход в состояние с более высокой энергией, что приводит к испусканию фотонов в инфракрасном диапазоне.

В результате многолетних исследований была разработана специальная функциональная керамика, позволяющая преобразовать непрерывное излучение первичного источника энергии и инфракрасные импульсы с определенными параметрами.

Наблюдаемые эффекты показывают, что генерация ИК-импульсов происходит согласованно всей поверхностью излучателя.

На рис. 1 приведены результаты измерений частоты следования импульсов от подаваемой мощности на излучатель.

Имп./с

P, Вт/см2 [V/sm2]

Рис. 1. Зависимость частоты следования импульсов от подаваемой мощности Fig. 1. Dependence of pulse repetition rate on supplied power

Как следует из приведенных данных, максимальная частота следования импульсов постепенно возрастает с увеличением мощности нагревателя, но после определенного предела не превышает для данной керамики ~434 Гц.

Это может быть объяснено тем, что накопление энергии имеет фононный механизм. Действительно, если сопоставить максимальную частоту генерации импульсов и скорость звука в керамике, - так как фононы, это механические колебания осцилляторов, то наблюдается хорошее соответствие полученных результатов.

Особую роль играет фронт нарастания импульса излучения, определяющий длину волны импульсов

независимо от длины волны несущей инфракрасной энергии. Этот механизм позволяет энергии инфракрасного излучения «туннелировать» в среды, обычно непрозрачные для инфракрасных волн. Предложенная модель основана на колебательных свойствах и волновых характеристиках излучения, что позволяет объяснить уникальную способность функциональной керамики преобразовывать энергию в импульсное излучение с заданной длиной волны. Этот механизм имеет широкий потенциал применения в различных областях, включая промышленность, энергетику, медицину, сельское хозяйство, горнодобывающую промышленность и др.

Результаты и обсуждение

Туннельный эффект является одним из фундаментальных явлений квантовой механики. Он описывает вероятность проникновения частицы через потенциальный барьер, которым она классически не смогла бы пройти. В данной главе мы рассмотрим основные принципы туннельного эффекта, его математическое описание и различные области его применения.

Принципы туннельного эффекта

Туннельный эффект основан на волновых свойствах частиц и нарушении классической механики на микроскопическом уровне. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, существует неопределенность в измерении одновременно координаты и импульса частицы. Это позволяет частице проникать сквозь потенциальные барьеры, поскольку ее волновая функция распространяется за пределы классически разрешенной области.

Математическое описание

Математическое описание туннельного эффекта основано на решении уравнения Шрёдингера для системы частица-барьер. Решение этого уравнения показывает, что существует конечная вероятность прохождения частицы через барьер, даже если ее энергия меньше потенциальной энергии барьера. Вероятность туннелирования зависит от ширины и высоты барьера, а также от энергии и массы частицы.

Приложения туннельного эффекта

1. Электроника. Туннельный эффект используется в электронных устройствах, таких как туннельные диоды и туннельные транзисторы. Эти устройства основаны на принципе электронного туннелирования и обладают быстрым коммутационным временем и высокой эффективностью.

2. Сверхпроводимость. Туннельный эффект играет важную роль в сверхпроводимости. При туннелировании электронов через тонкий слой изоляции между сверхпроводниками можно создать сверхпроводящие туннельные структуры, которые используются в квантовых битах (куби-тах) для разработки квантовых компьютеров.

3. Микроскопия и спектроскопия. Туннельный микроскоп является мощным инструментом для изображения поверхностей и исследования наноструктур. Он основан на измерении туннельного тока между зондом и образцом, что позволяет получить высокоразрешающие изображения.

4. Ядерная физика. Туннельный эффект играет важную роль в ядерных реакциях. Он позволяет ядрам проникать через потенциальные барьеры и инициировать ядерные реакции, такие как альфа-распад и ядерная фузия.

5. Флэш-память, широко используемая в электронных устройствах, таких как компьютеры, смартфоны и ^В-накопители, основана на туннельном эффекте. В флэш-памяти информация хранится в ячейках памяти, которые содержат туннельно-изолированный слой. Применяется эффект электронного туннелирования для программирования и стирания данных в ячейках.

6. Квантовые точки - это наноразмерные структуры полупроводников, которые могут содержать ограниченное количество электронов. Туннельный эффект позволяет электронам перескакивать между квантовыми точками, что делает их полезными для создания квантовых точечных лазеров, одноэлектронных транзисторов и квантовых точечных детекторов.

7. Сверхрешетки - это структуры, созданные путем комбинирования двух или более материалов с различной шириной запрещенной зоны. Туннельный эффект играет ключевую роль в транспорте электронов в сверхрешетках. Они используются в качестве кристаллов для создания высокочастотных приборов, таких как сверхрешеточные диоды и сверхрешеточные транзисторы.

8. Сверхпроводящие контакты. Туннельный эффект применяется в сверхпроводящих контактах, где сверхпроводник соединен с нормальным металлом или другим сверхпроводником. Это позволяет электронам туннелировать через границу между сверхпроводниками и создавать интересные эффекты, такие как джозефсонов-ские переходы, которые широко используются в квантовых вычислениях и метрологии.

9. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. Туннельный эффект играет важную роль в сверхпроводящих квантовых интерферометрах, используемых для измерения фазовых разностей и квантовых эффектов. Они применяются в квантовых битах, квантовых метрологических устройствах и других квантовых системах.

Это лишь некоторые примеры применения туннельного эффекта в электронике. Благодаря своей уникальной способности электронов проникать сквозь барьеры, туннельный эффект продолжает вдохновлять

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

разработку новых устройств и технологий в электронной индустрии.

В контексте сверхпроводящих квантовых интерферометров роль туннельного эффекта заключается в возможности переноса квантовых частиц (например, электронов или фотонов) через потенциальный барьер, который классически они не могли бы преодолеть.

В сверхпроводящих квантовых интерферометрах используются сверхпроводящие квантовые переходы, которые обладают особенностью куперовской пары электронов, образующихся в сверхпроводнике. При наличии разности фазы между двумя сверхпроводниками, которые соединены сверхпроводящими туннельными контактами, куперовские пары могут туннелировать через эти контакты, преодолевая потенциальный барьер.

Туннельный эффект играет решающую роль в работе сверхпроводящих квантовых интерферометров, поскольку он позволяет реализовать интерференцию куперовских пар. Когда разность фазы между сверхпроводниками изменяется, меняется и вероятность туннелирования куперовских пар через туннельные контакты. Это приводит к изменению тока, протекающего через интерферометр, и созданию интерференционной картины.

Туннельный эффект также позволяет достичь высокой чувствительности и точности измерений в квантовых устройствах на основе сверхпроводниковых квантовых интерферометров. Измерение слабых сигналов, таких как одиночные фотоны или слабые электрические сигналы, осуществляется путем обнаружения изменений тока, вызванных туннелированием куперовских пар. Таким образом, туннельный эффект играет важную роль в создании высокочувствительных детекторов и сенсоров на основе сверхпроводниковых квантовых интерферометров [1-4].

В целом, туннельный эффект обеспечивает квантовую транспортную связь и контроль между сверхпроводниками, что позволяет реализовать квантовые операции и измерения в сверхпроводящих квантовых интерферометрах.

Наиболее подходящими моделями для описания фотонного туннельного эффекта являются:

1) модель Вентцеля (Wentzel model) базируется на волновой функции частицы и учитывает влияние потенциального барьера на вероятность туннелирования. Она представляет собой приближенное решение уравнения Шрёдингера для частицы, находящейся в потенциальной яме или на потенциальном барьере;

2) модель Гейзенберга (Heisenberg model) рассматривает туннельный эффект с помощью принципа неопределенности Гейзенберга. Она основана на идее, что измерение положения и импульса частицы с высокой точностью одновременно невозможно, и, следовательно, частица может «туннелировать» через потенциальный барьер;

3) модель Ландауера (Landauer model) основана на теории проводимости и рассматривает электронный транспорт через потенциальный барьер. Она использует понятие проводимости и распределения электронных состояний для объяснения туннельного эффекта. Модель Ландауера широко применяется в исследованиях на-ноэлектроники и квантовых точек;

4) модель Бюттикера (Buttiker model) является расширением модели Ландауера и рассматривает не только прямое туннелирование, но и рассеяние электронов в системе с применением метода передачи. Она позволяет изучать эффекты корреляции и взаимодействия электронов при туннелировании, а также учитывает неидеальности и неравновесные состояния в системе.

Таким образом, основываясь на волновой природе фотонов, указанные модели наиболее адекватно описывают фотонный туннельный эффект.

Модель Келдыша-Файсала-Риса (КФР) является полуклассическим подходом к описанию туннельного эффекта в переменном поле.

В ней атом описывается квантовомеханически, а внешнее электрическое поле - классически, как функция времени.

Основные положения модели:

• рассматривается двухуровневая система (например, основное и возбужденное состояния атома);

• уравнение Шрёдингера решается в приближении адиабатического перехода;

• получаются дифференциальные уравнения для амплитуд вероятностей находиться в каждом состоянии;

• вероятность туннельного перехода вычисляется по данным решением;

• формула КФР связывает вероятность с параметрами поля и системы.

Достоинство модели - учет динамики системы и возможности аналитически описать процесс.

Недостаток - применимость лишь к простейшим системам.

Модель КФР нашла широкое применение в физике твердого тела, оптике, исследовании взаимодействия лазерное излучение-вещество.

Как уже отмечалось, в основе работы функциональной керамики лежит ее способность накапливать энергию светового излучения не в виде фотонов (как в лазерах), а в виде фононов - колебаний кристаллической решетки [5-9]. Это обусловлено особенностями наноструктуры керамики, где не существует сплошной кристаллической решетки, а имеются отдельные мелкие фрагменты. Падающее на керамику солнечное излучение поглощается частицами, что приводит к колебаниям кристаллической решетки - возникают фононы. При накоплении определенной плотности фононов происходит их переход в состояние с более высокой энергией, преодоление энергетического

барьера и излучение фотонов в инфракрасном диапазоне. Важно, что фононы могут накапливаться как в поверхностных, так и объемных слоях керамики. Фронт нарастания импульса излучения зависит от соотношения функциональной (генерирующей импульсы) и прозрачной в рабочем диапазоне спектра (например, муллит прозрачен до 25 мкм, кордиерит - до 40 мкм) керамики и регулирует его крутизну. Благодаря этому достигается синхронизация генерации импульсов по всей поверхности и объему керамики. Угол фронта нарастания импульса можно рассматривать, как часть синусоиды, соответствующей длине волны этого угла. Таким образом несмотря на то, что длина волны света, несущая энергия находится в ИК-диапазоне, за счет фронта нарастания импульса излучение может работать, как любое другое заданное, определяемое фронтом нарастания. Например, углекислотный лазер имеет длину волны 10,6 мкм, что соответствует температуре 0 °С, по закону Вина. В действительности, он является одним из самых мощных лазеров и способен разрезать стальную пластину толщиной 20 мм. Это процесс обусловлен именно тем, что фронт нарастания импульса соответствует длине волны, которая по закону Вина явно короче той, которая могла бы создать температуру выше температуры плавления стали.

В качестве примера можно рассмотреть вспышки на Солнце. Локальная зона Солнца, где возникают эти вспышки, - самая холодная часть Солнца (солнечные пятна). Их температура около 2000 °С, когда средняя температура поверхности Солнца, находится на уровне 5600 °С. Магнитное поле сдерживает выброс фотонов, но в какой-то момент накапливается достаточно фотонов и их энергия становится равной энергетическому барьеру, сдерживающего их выброс во внешнюю среду. А температура выброса плазмы превышает 10 миллионов градусов.

Действительно, примеров ИТЭ вокруг нас очень много:

• молния - мощнейший природный импульсный разряд;

• фотовспышка в фотоаппарате - кратковременный импульс света;

• искра при замыкании электрической цепи - быстрый импульс тока;

• взрыв - мгновенное освобождение большой энергии;

• выстрел - ударный импульс давления и температуры;

• удар молотка - кратковременное действие силы;

• сварка дугой - локальный импульс тепла.

Везде, где что-то происходит мгновенно или им-пульсно - можно увидеть проявление ИТЭ в действии.

В случае функциональной керамики, наклон фронта импульса может соответствовать длине волны, отличающейся от несущей. Таким образом, энергия в ИК-диапазоне, за счет импульсного туннельного эффекта, может проникать в среду непрозрачную для ИК. Например, вода поглощает ИК, но пропускает в УФ- и видимом диапазоне, что мы и наблюдаем на практике.

Здесь имеет место интересный квантовый эффект, связанный с накоплением и последующим переходом фононов в состояние с более высокой энергией, что приводит к генерации фотонов в другом диапазоне, отличающимся от «несущей».

Для пояснения механизма импульсного туннельного эффекта можно привести следующую модель. Допустим, что на высоте И подвешена корзина на нити с пределом прочности Р. В корзину попадают различные предметы с массами . Когда суммарная масса доходит до уровня М, благодаря которой возникает гравитационная сила ¥, равная по величине Р, происходит обрыв нити и тело (корзина) приобретает импульс:

шУ = Б1,

так как при падении с высоты И тело приобретает скорость

V = Jlgh.

С учетом сказанного, регулируя предел прочности нити Р, а также высоту И, можно управлять параметрами импульсов.

Важной особенностью является то, что благодаря фронту нарастания импульса излучение может работать как определенная коротковолновая составляющая, несмотря на большую длину волны в ИК-диапазоне. Это позволяет осуществлять взаимодействие с веществами, прозрачными в других спектральных областях.

Данный эффект можно рассматривать как импульсный оптический туннельный, когда за счет фронта нарастания энергия ИК излучения как бы «туннелирует» через преграду поглощающей среды. Это действительно интересное и полезное явление, открывающее новые возможности в оптике и энергетике.

Свет - это электромагнитное излучение, которое действует как волна, а также как частица. Длина волны Де Бройля связывает это двойное существование света, объясняя природу волны по отношению к частице, так называемыми волнами Де Бройля. Другими словами, она связывает длину волны или частицы с ее импульсом. Она утверждает, что длина волны частицы обратно пропорциональна массе и скорости (импульсу частицы).

Любая движущаяся частица (например, электрон) ведет себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект - корпускула, но и как волна, причем длина этой волны определяется формулой

* = ± = А,

р mv

где Л - длина волны Де Бройля;

И - постоянная Планка со значением

6,62 • 10-34 Дж • с;

р - импульс частицы;

ш - масса;

V - скорость частицы.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

Исходя из этих представлений, можно найти требуемый импульс рё, который будет соответствовать дли-

не волны Л,

* ^ ■

Определяем частоту колебаний

где V - скорость распространения колебаний (в данном

случае скорость света с),

14 ^ ■

Находим энергию кванта волны, соответствующей заданному импульсу

Е = .

И неважно, морская это волна, звуковая, электромагнитная, потока электронов или иных частиц, в том числе фононов и фотонов.

Зная частоту резонатора-объекта, можно рассчитать длину волны. В первом приближении можно ориентироваться на фронт нарастания импульса, как соответствующую наклону синусоидальной волны. Таким образом, регулируя фронт нарастания импульса, можно создавать «туннельный эффект» для конкретной спектральной области и конкретных процессов. Как было сказано, фронт нарастания импульса излучения зависит от соотношения функциональной (генерирующей импульсы) и прозрачной керамик в рабочем диапазоне спектра.

Некоторые из практических применений этого метода на практике, для удобства собраны в серии наших монографий, которые включают в себя руководство по синтезу таких материалов, особенностей их структуры, возможные механизмы преобразования энергии первичного источника в импульсы и т.д. [10-18].

Основное различие между «стандартным» туннельным эффектом и предлагаемым в данной модели заключается в том, что в первом случае вероятность преодоления энергетического барьера является ключевым фактором. В предложенной модели мы конвертируем первоначальную энергию в импульс с фронтом нарастания, который именно по высоте энергетического барьера обеспечивает оптимальное использование энергии. Подача энергии с избытком может привести к нежелательным энергетическим потерям и активации непредполагаемых процессов. Мы провели тщательный подбор параметров импульсов для различных процессов, таких как сушка, выпечка, активация роста и развитие растений, медицинских применений, получения водорода за счет солнечной энергии и т.д.

Благодаря такому подходу, создано множество материалов, которые способствуют управлению прецизи-

онными процессами в живых организмах, а также применению в горнодобывающей, химической, пищевой, сельскохозяйственной, медицине и перерабатывающей промышленности, производстве катализаторов, эффективному использованию энергии и материальных ресурсов, синтезу материалов с комплексом заданных свойств и многих других областях.

Туннельный эффект будет проявляться всегда, когда работают фотоны. Даже для когерентного монохроматического лазерного излучения. Далее приводим наши рассуждения спорного характера. Поясним сказанное. Некоторые эффекты могут быть приняты за квантовый туннельный эффект, но связаны с другими явлениями. Обозначим такое проявление, как ЛКТЭ.

1. У многих веществ существуют полосы поглощения на низких энергиях, - более длинных волнах. Обычно их достаточно много. Тогда будет проявляться ЛКТЭ. Наличие полос поглощения на более длинных волнах повышает вероятность туннельного перехода частиц/электронов через потенциальный барьер под действием этих электромагнитных волн.

2. Любая волна имеет гармоники, с квантовой энергией, превышающую исходную. Тогда, ЛКТЭ обеспечен. Гармоники основной волны несут квантовую энергию, кратную исходной, что способствует туннельным процессам.

3. Любая волна способна к интерференции, взаимодействуя, например, с отраженной (Р. Фейман тщательно это анализирует). Здесь также будет наблюдаться ЛКТЭ. Интерференция отраженных от объекта волн может создать условия для проявления ЛКТЭ, например, за счет стоячих волн, интерференции и т.д.

4. Отраженная волна с основной могут проявлять эффект Доплера. В этом случае, будет наблюдаться широченный спектр различных излучений и будут наблюдаться многочисленные ЛКТЭ. Хотя и в предыдущих описанных вариантах, также возможны многочисленные ЛКТЭ. Эффект Доплера отраженной и прямой волн расширяет спектр взаимодействующих волн и повышает вероятность ЛКТЭ.

5. Не следует упускать из виду, что свет имеет свойства и частицы и волны. Свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, и оба аспекта могут способствовать туннельным процессам.

Также можно добавить и то, что любое возмущение электромагнитного поля (например, флуктуации) может инициировать ЛКТЭ.

У стандартного квантового туннельного эффекта, наряду с неоспоримыми преимуществами и возможностями, имеется ряд серьезных недостатков в сравнении с ИТЭ. В-первую очередь, он не может обеспечить высокой избирательности воздействия на выбранные процессы. Это вытекает из тех пунктов, которые

мы привели выше. В отличие от других технологий, импульсный туннельный эффект (ИТЭ) обладает высокой избирательностью. Он способен одновременно подавлять определенные процессы и активировать другие, в зависимости от выбора и настройки функциональной керамики. Это открывает безграничные возможности для его применения. ИТЭ обладает потенциалом, аналогичным тому, что лазеры представляли в свое время, чтобы создать технологическую революцию в различных областях. Вероятно, ИТЭ открывает еще более широкий спектр возможностей и применений с высокой энергетической эффективностью. Одним из ключевых преимуществ импульсного туннельного эффекта перед стандартным квантовым туннельным является его высокая избирательность.

Действительно, стандартный КТЭ не может обеспечить целенаправленного и селективного воздействия на те или иные процессы из-за отсутствия избирательности.

В отличие от этого, ИТЭ полностью контролируем и может выборочно стимулировать или подавлять различные процессы благодаря тонкой настройке параметров излучения (длина волны, поляризация, интенсивность и пр.).

Кроме того, с помощью функциональной керамики можно создавать сложные пространственно-временные профили поля для управления целыми последовательностями явлений.

Рассматриваемый подход можно назвать «мягким», так как он обладает гибкостью и универсальностью в рабочих условиях. Это означает, что технология может быть реализована при нормальных условиях, что является одним из ее преимуществ. Благодаря этому комплексу достоинств, разработанная технология обладает большим потенциалом для практического применения.

Как фотон, не имея массы, может обладать импульсом?

Известно, что импульс - это свойство тел, которое показывает, с какой силой оно движется. Чем больше масса тела и чем больше его скорость, тем больше импульс.

Обычно мы привязываем импульс к массе. Но фотон - это не обычная материальная частица. Это пакетик энергии, который движется как волна.

Хотя фотон и не имеет массы, у него есть частота и длина волны. Частота показывает, насколько энергичен фотон. А длина волны связана со скоростью распространения фотона. Он всегда движется со скоростью света.

Именно поэтому, несмотря на отсутствие массы, фотон все равно обладает импульсом. Это связано не с массой, а с его энергией и скоростью.

Решающее значение здесь имеет взаимодействие излучения с веществом. Электромагнитная волна имеет электрическую и магнитную составляющие. Так как атомы имеют отрицательные электроны и поло-

жительное ядро, то происходит поляризация. Причем, она зависит от того, положительная полуволна или отрицательная в конкретный момент времени. Это же относится и к магнитной части, которая перпендикулярна электрическому полю. Фактически, фотоны, благодаря волновому излучению, наводят импульс в веществе.

Действительно, именно за счет поляризации атомов и молекул под воздействием переменных электрического и магнитного полей фотона, и происходит передача импульса.

При положительной и отрицательной полуволнах электрического сигнала происходит чередование притяжения/отталкивания электронов и ядер. Это и приводит к колебаниям электронов и передаче импульса.

То есть фактически фотон воздействует на вещество как волна, индуцируя в нем колебания. А именно благодаря этому взаимодействию и передается импульс излучения.

Дополним объяснение импульса фотона следующими моментами:

• фотон взаимодействует не только с отдельными атомами, но и с веществом в целом как дискретная совокупность атомов;

• благодаря этому взаимодействию фотон передает часть своей энергии веществу, запуская в нем колебания;

• эти колебания распространяются как волна, передавая импульс многим атомам;

• поэтому излучение можно рассматривать как поток таких волновых колебаний с передаваемым импульсом;

• импульс передается не только отдельным атомам, но и веществу в целом, благодаря волновой природе излучения;

• величина импульса одного фотона зависит от его частоты/длины волны и соответствует формуле p = h/À.

Импульс - это не совсем волна и лишен многих свойств волны.

В случае импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) механизм передачи импульса имеет свои особенности:

• используются не затухающие волны, а короткие импульсы излучения;

• благодаря импульсной форме лучше управляется временем взаимодействия и энергией вносимой фотоном;

• за счет более короткой продолжительности уменьшается рассеивание импульса при взаимодействии;

• более сильное возмущение поля позволяет точнее адресовать воздействие на выбранные атомы-мишени или процессы;

• можно использовать не только одну, но и интерференцию нескольких частот, создавая сложные пространственно-временные профили взаимодействия;

• это делает передачу импульса более целенаправленной и позволяет выборочно регулировать квантовые переходы.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

Таким образом, именно благодаря импульсной природе излучения ИТЭ обладает повышенной избирательностью в передаче импульса на нужные атомы-мишени.

Кроме того, не происходит интерференции и эффекта Доплера, что создает «мешающие» длины волн, которые могут повести процессы в нежелательную сторону, снизить избирательность и эффективность использования суммарной энергии для данного процесса.

Использование импульсов вместо распространяющихся волн позволяет избежать негативных последствий явлений, таких как:

• интерференция различных частот, которая может нарушить фазовую когерентность взаимодействия;

• эффект Доплера, ведущий к смещению частоты из-за движения частиц и нежелательному возбуждению состояний;

• затухание и рассеивание энергии при распространении волны.

Благодаря когерентности и короткой продолжительности импульса удается максимально эффективно направить энергию на целевой процесс, повысив избирательность и добиться максимального КПД.

Это действительно важный момент, который существенно повышает эффективность именно импульсного взаимодействия в рамках ИТЭ.

Вот что характерно для КТЭ: Туннелирование легко обнаруживается с помощью барьеров толщиной около 1-3 нм или меньше для электронов и около 0,1 нм или меньше для более тяжелых частиц, таких как протоны или атомы водорода. Это очень тонкие слои. Например, для красного лазера 633 нм, время прохождения импульса через такой слой очень мало.

Для таких тонких барьеров, как в случае КТЭ, время прохождения импульса лазерного излучения будет очень малым. Действительно, для красного лазера с длиной волны 633 нм, толщина барьера 1-3 нм соответствует времени прохождения импульса порядка 1-10 фс. В таких условиях уже нельзя полностью исключить влияние именно импульсной природы взаимодействия.

Хотя классический КТЭ описывается как статистический одноэлектронный эффект, на таких малых временных масштабах могут проявляться особенности, свойственные ИТЭ:

• возможность тонкой настройки времени туннелиро-вания на моменты экстремумов импульса;

• эффекты интерференции при прохождении нескольких циклов излучения;

• зависимость эффекта от фазовых свойств импульса.

Таким образом, в таких экспериментах уже нельзя полностью исключить проявление черт именно ИТЭ. Рассмотрим подробнее.

Работа Келдыша 1964 г., по сути, впервые описала явление ИТЭ на уровне атомных процессов. Келдыш рассмотрел процесс ионизации атома сильным электромагнитным полем, которое может привести к туннельному выходу электрона.

В работе Келдыша впервые была сформулирована идея о том, что при взаимодействии с полем атом переходит в «возбужденное состояние», которое описывается как суперпозиция волновых функций свободного электрона в поле. Это соответствует квантовомехани-ческому описанию ИТЭ.

Выведенное Келдышем обобщенное выражение для вероятности ионизации через матричные элементы туннельного перехода очень напоминает общий формализм ИТЭ.

Параметр Келдыша Y определяет границу между режимами многофотонной и туннельной ионизации и прямо связан с пондеромоторным потенциалом - величиной, определяющей энерговложение при ИТЭ.

Работа Келдыша лежит в основе последующих исследований АТИ, генерации высоких гармоник и других явлений в атомах при взаимодействии с лазерным полем.

Таким образом, можно сказать, что работа Келдыша 1964 г. заложила фундаментальные основы понимания процессов ИТЭ на атомном уровне. По нашему мнению, это была пионерская работа в этой области науки.

Рассмотрим несколько важных положений работы Келдыша подробнее с точки зрения ИТЭ.

Волновая функция электрона представлена в виде суперпозиции волновых функций свободного электрона в лазерном поле. Это соответствует квантовомеха-ническому описанию состояния системы, находящейся в процессе ИТЭ - переходе между начальным и конечным состояниями через промежуточное «возбужденное состояние».

Ключевую роль играет импульсное взаимодействие системы с лазерным полем через дипольный момент. Именно оно и позволяет преодолеть энергетический барьер за счет туннельного перехода. Это соответствует механизму ИТЭ.

Выведенное Келдышем выражение для вероятности ионизации через матричные элементы туннельного перехода напоминает общий формализм ИТЭ - как сумму вероятностей промежуточных состояний.

Параметр Келдыша Y определяет границу между режимами многофотонной и туннельной ионизации, что соответствует понятию режимов ИТЭ при Y < 1 и без ИТЭ при Y > 1.

Таким образом, в работе Келдыша 1964 г. сформулированы основополагающие идеи и формализм метода ИТЭ, хотя сам термин еще не использовался. Это был фундаментальный вклад в формирование этой области физики [19; 20].

Еще одна важная деталь в работе Келдыша, указывающая на механизм ИТЭ: рассмотрение взаимодействия не только в системе координат электрона, но и в системе координат иона.

Келдыш учитывает возможность возвращения электрона к иону после туннельного перехода под барьер. Это соответствует основному постулату ИТЭ -когерентному туннельному переходу через промежуточное состояние.

Получение выражения для вероятности перехода через волновые функции промежуточных состояний. Это полностью соответствует формализму ИТЭ.

Вывод единой общей формулы для многофотонного и туннельного режимов ионизации. Это подчеркивает когерентный характер процесса.

Расчеты не только по вероятности ионизации, но и по спектрам излучения при возвращении электрона. Это также характерно для ИТЭ.

Таким образом, можно сказать, что работа Келдыша 1964 г. заложила основы понимания атомно-лазер-ного взаимодействия именно как процесса импульсного туннельного эффекта.

В работе Келдыша предполагается, что для реализации механизма туннельной ионизации атома необходимо, чтобы энергия лазерного поля, которое создает потенциальный барьер, превышала энергию связи электрона в атоме.

Точнее, необходимо удовлетворять условию Y < 1, где Y - параметр Келдыша. Параметр Y зависит от интенсивности лазерного поля I.

При I < I интенсивность поля слишком мала для формирования существенного потенциального барьера.

Только при I > 1а значение параметра Y становится меньше единицы, что обеспечивает условия для туннельного перехода электрона под барьером за время существования поля.

Таким образом, в работе Келдыша предполагается, что для реализации ИТЭ необходима определенная критическая интенсивность лазерного излучения, при которой формируется достаточно высокий потенциальный барьер. Иначе поле слишком слабое и не может обеспечить туннельный переход.

В ряде последующих работ, развивающих идеи Келдыша, также прослеживаются предпосылки о механизме ИТЭ:

В работах Аммосова, Делоне и Крайнова дан физический смысл параметру Келдыша как энергии понде-ромоторного потенциала. Это напрямую связывает его с механизмом ИТЭ. В модели ППТ рассмотрено поведение электрона после ионизации в лазерном поле, что соответствует механизму ИТЭ. В работах Никишова и Ритуса сформулирован подход через промежуточные возбужденные состояния, аналогичный ИТЭ. Работы Риса с переходом через промежуточные состояния и возвратом электрона также близки к ИТЭ.

Таким образом, в ряде ключевых последующих теоретических работ, развивающих идеи Келдыша, можно увидеть предпосылки формирования полноценного метода ИТЭ для описания атомно-лазерных взаимодействий [21-28].

Обобщим сказанное. Келдыш уже, фактически вплотную подошел в своих рассуждениях к ИТЭ. Обращаясь к идеям Келдыша об импульсном туннелиро-вании, можно констатировать, что он фактически уже описал основные положения ИТЭ.

Действительно, его модель учитывала:

• импульсную природу взаимодействия;

• зависимость туннельного перехода от фазы импульса;

• возможность оптимизации перехода за счет использования импульсов определенной формы.

При тонких барьерах, типичных для КТЭ, влияние импульсного режима работы становится определяющим.

Полагаю, в таком случае нельзя уже говорить об отдельных явлениях КТЭ и ИТЭ - это лишь разные аспекты одного целостного процесса импульсного тун-нелирования, предсказанного трудами Келдыша.

Еще один очень важный момент - наличие пороговой мощности для проявления эффекта КТЭ.

Действительно, КТЭ становится возможным только при достижении определенного уровня интенсивности поля, чтобы преодолеть барьер потенциала.

Это опять же указывает на импульсную природу явления - нужна концентрация достаточного количества энергии во времени, а не ее распределение в пространстве как у волны.

Такая особенность эффекта - еще один важный аргумент в пользу того, что даже классический КТЭ имеет ярко выраженные черты импульсного взаимодействия.

Следует отметить, что именно относительно высокая мощность позволяет развиваться нечетным гармоникам. Они, в свою очередь, создают лучшие условия для проявления ИТЭ. Возможно, по крайней мере для оптического ТЭ, ИТЭ это и есть единственно верный механизм.

Все элементы нашего рассуждения убедительно демонстрируют фундаментальное единство КТЭ и ИТЭ как проявлений одного механизма - импульсного туннельного эффекта. Основные моменты:

• тонкие барьеры КТЭ соответствуют коротким импульсам;

• пороговая мощность указывает на импульсный характер;

• роль нечетных гармоник, создающих лучшие условия для ИТЭ;

• предвидение основ ИТЭ работами Келдыша [19; 20].

Для оптического диапазона КТЭ и ИТЭ - это не отдельные явления, а проявления одного фундаментального процесса импульсного туннельного эффекта с различными режимами.

Для оптического диапазона импульсный туннельный эффект обязательно реализуется как ИТЭ, так как:

• рабочие времена оптики порядка фемтосекунд, что подразумевает импульсную природу;

• толщины барьеров сопоставимы с длиной волны света, не позволяя рассматривать процесс как статистический одноэлектронный (КТЭ);

• необходимость использования высоких интенсивно-стей приводит к доминированию нечетных гармоник, обеспечивающих наиболее эффективный импульсный режим.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

То есть, в оптическом диапазоне более корректно говорить только об ИТЭ как единственном механизме реализации туннельного эффекта.

В случае туннельного эффекта для частиц ситуация несколько сложнее:

• для макроскопических частиц рабочие времена составляют порядки пико- и наносекунд, что позволяет рассматривать процессы как статистические (КТЭ);

• однако для субатомных и элементарных частиц времена сопоставимы с фемтосекундами оптики;

• толщины барьеров также сопоставимы с дебройлев-ской длиной волны частиц;

• возможно использование коротких импульсных полей для стимулирования переходов.

Поэтому:

• для макроскопических частиц основным механизмом остается КТЭ;

• для микроскопических и субатомных частиц роль ИТЭ возрастает и может стать доминирующей;

• грань между КТЭ и ИТЭ становится размытой с уменьшением размеров и масс частиц.

Таким образом, в случае частиц нельзя однозначно выделить только один механизм.

В случае сверхпроводников, графена и других на-номатериалов роль импульсного туннельного эффекта, на мой взгляд, также очень велика:

• в них происходят процессы на наномасштабном уровне с характерными временами порядка фемто-секунд;

• эффективность туннелирования зависит от структуры энергетических зон и упорядоченности материала;

• можно использовать короткие лазерные импульсы для стимулирования переходов носителей заряда;

• например, для контроля сопротивления графена или переключения состояний сверхпроводника;

• роль нечетных гармоник и фазовых свойств импульса, вероятно, возрастает.

Следовательно, для таких наноматериалов ИТЭ, скорее всего, играет ключевую роль в управлении фундаментальными свойствами. Эффективность механизма определяется структурой на наноуровне.

Интересно, насколько ИТЭ проявляется в пе-ровскитах и проявляется ли вообще. Все-таки это кристаллические структуры, где гармоники и взаимодействие излучения с веществом, могут играть решающую роль. Перовскиты - очень интересный класс материалов для изучения роли импульсного туннельного эффекта.

Несколько моментов:

• перовскиты представляют собой кристаллические структуры с ярко выраженной структурной избирательностью;

• в них имеют место быстрые процессы переноса заряда на наноуровне (порядка пико- и фемтосекунд);

• возможно точное взаимодействие импульсного излучения с кристаллической решеткой;

• эффективность процессов, вероятно, можно оптимизировать через подбор частоты излучения;

• роль нечетных гармоник в стимулировании переноса заряда представляется весьма вероятной.

Таким образом, ИТЭ, на мой взгляд, действительно может играть важную роль в оптимизации свойств перовскитов. Это требует дальнейшего специального исследования.

Когда на атом воздействует электромагнитное гармоническое излучение, происходит смена поляризации. В случае же импульсного воздействия идет однонаправленная поляризация, как по электрическому, так и по магнитному полю. Таким образом, в случае импульсного воздействия происходит существенное отличие от гармонического излучения.

Для гармонической волны наблюдается периодическая смена поляризации атомов/молекул в соответствии с чередованием полей. В то время как для импульса:

• происходит однонаправленная поляризация под действием как электрического, так и магнитного поля импульса;

• поляризация сохраняется в течение всего времени действия импульса;

• это позволяет накапливать эффект взаимодействия и добиваться большей эффективности передачи импульса/энергии.

Таким образом, импульсное воздействие обеспечивает более сильную и устойчивую поляризацию, что является одним из ключевых преимуществ механизма ИТЭ.

В таком случае, воздействие на атом окажется намного сильнее, чем при воздействии гармонических волн. Это позволит проводить процессы намного эффективнее при импульсном воздействии. Другими словами, именно ИТЭ позволяет проводить процессы во много раз эффективнее, избирательностью и максимальным КПД. Вероятнее всего в этом случае существует лишь когерентное излучение. Ведь отсутствует интерференция, эффект Доплер, гармоники и т.д.

Импульсное воздействие действительно позволяет осуществлять процессы намного более эффективно по сравнению с гармоническими волнами. Это достигается за счет:

• более сильной однонаправленной поляризации атомов/молекул;

• отсутствия потерь на интерференцию, эффект Доплера и прочие явления;

• возможности накапливать эффект в течение времени импульса;

• не наблюдается расширения энергетического спектра, как в случае электромагнитной волны.

Действительно, для полноценной реализации преимуществ ИТЭ необходимо обеспечить когерентность.

Только при когерентности обеспечиваются:

• согласованность фазы импульсов;

• отсутствие рассеяния энергии на интерференцию;

• максимальная эффективность взаимодействия;

• устраняется расширение спектра в нежелательные или мешающие основному процессу области;

• активация только выбранных процессов;

• максимальный КПД, так как энергия импульса точно равна высоте энергетического барьера заданного процесса.

Поэтому когерентность является ключевым фактором для полноценной реализации преимуществ ИТЭ.

Импульсный туннельный эффект фактически невозможен без использования когерентного излучения. Действительно, если проанализировать суть ИТЭ:

• он основан на тонкой настройке фазы импульсов для стимулирования переходов;

• требует согласованности фазы на протяжении всего процесса взаимодействия;

• позволяет конструктивно наращивать вклады от последовательных импульсов.

То есть когерентность излучения является не просто полезным дополнением, а фундаментальным условием для реализации ИТЭ.

Если кратко: ИТЭ физически невозможен без когерентного излучения, так как предполагает когерентную сумму вкладов.

Это важное логическое заключение, подчеркивающее фундаментальную роль когерентности в механизме ИТЭ.

Сформулируем основные идеи. Традиционно считалось, что туннельный эффект может реализовываться либо как классический КТЭ при взаимодействии с электронами, либо как оптический КТЭ при воздействии световых волн.

Однако наши многолетние исследования показали, что в основе обоих эффектов может быть и более фундаментальный механизм - импульсный туннельный эффект (ИТЭ).

ИТЭ основан на использовании коротких когерентных импульсов для стимулирования туннельных переходов. Это позволяет:

• точно настраивать фазу импульсов для оптимизации перехода;

• избежать потерь на интерференцию и эффект Доплера;

• обеспечить сильную однонаправленную поляризацию атомов/молекул.

Благодаря этому ИТЭ может проводить процессы значительно эффективнее, чем КТЭ.

Перспективы применения ИТЭ огромны в оптике, наноэлектронике, для управления свойствами перов-скитов и других наноматериалов.

Таким образом, импульсный туннельный эффект открывает новые возможности в фундаментальной науке и технологиях благодаря использованию когерентных импульсов.

Ч АСТ Ь 2

В первой части статьи мы коснулись очень важных тонкостей, которые позволяют по-новому взглянуть на механизмы взаимодействия излучения с веществом.

Еще раз подчеркнем некоторые моменты ИТЭ:

• однонаправленной поляризации при импульсном воздействии;

• фундаментальной роли когерентности для реализации ИТЭ;

• существенных отличий между действием импульсного и гармонического излучения.

Это дало возможность глубже осмыслить природу импульсного туннельного эффекта.

Идеи Келдыша о влиянии импульсного поля на атомы были наиболее близки к концепции ИТЭ [10; 11]. Вместе с тем, фундаментальный вклад в формализацию ИТЭ внесли Планк с идеей кванта действия, Де Бройль с уравнением для волновых свойств частиц и Борн со своей интерпретацией волновой функции.

Их работы позволили сформулировать математическую модель туннельного эффекта, которая легла в основу всей последующей квантовой физики.

Вместе с тем, практическая реализация ИТЭ стала возможна благодаря разработке материалов с необходимыми свойствами, позволяющими осуществлять взаимодействие импульсного излучения с веществом [9-18].

Из теоретических работ по квантовой механике, наиболее фундаментальной основой для последующих исследований в области импульсного туннельного эффекта стали работы Де Бройля и Борна в 1920-е гг. двадцатого столетия.

Именно они впервые сформулировали волновую природу материи и уравнение Шредингера, которые заложили теоретические основы для описания туннельных явлений. Позднее Келдыш развил эти идеи, приложив их к задачам ускорения частиц в ускорителях. Но суть процесса, описываемого как импульсный туннельный эффект, была впервые раскрыта именно Де Бройлем и Борном на математическом и физическом уровне. Именно практическая реализация ИТЭ и разработка соответствующих материалов и являлась нашей основной задачей, которую мы смогли решить, создав материалы с комплексом заданных свойств. Развивая идеи великих ученых прошлого, мы смогли воплотить теорию в практику. Их работы заложили фундаментальные основы современной науки.

Вклад таких выдающихся личностей, как Планк, Бор, Де Бройль, Борн, Фейман, Келдыш и других, в дальнейшее развитие науки, неоценим. Они действительно заслуживают самой высокой оценки. Благодаря их трудам сегодня мы можем продвигаться вперед и развивать новые идеи. Действительно, огромный вклад в зарождение этой идеи внес Макс Планк, сформулировав принцип кванта и заложив основы квантовой физики.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

Затем Де Бройль и Борн внесли не меньший вклад, сформулировав волновые свойства материи и уравнение Шрёдингера. Именно они математически описали суть туннельного эффекта. Келдыш также сделал фундаментальный вклад, развивая идеи великих предшественников. Планк, Де Бройль и Борн внесли решающий вклад в формирование концепции импульсного туннельного эффекта, заложив основы его понимания на теоретическом уровне. Работы Планка, Де Бройля, Бора и других основоположников квантовой физики имели колоссальное значение, так как полностью перевернули представления об устройстве мира на микроуровне. Они сформулировали такие фундаментальные концепции, как:

• принцип квантования энергии (Планк);

• волновая природа материи (Де Бройль, Макс Борн);

• принцип дополнительности (Бор);

• уравнение Шрёдингера (Шрёдингер);

• спин (Уленбек, Гудсмит);

• КЭД (Фейман).

Это была настоящая научная революция, заложившая основы всех современных достижений в области физики, химии и технологий.

Их открытия до сих пор поражают воображение и открывают новые горизонты для изучения природы на самых фундаментальных уровнях.

Действительно, благодаря этим выдающимся умам мы приобрели новое видение устройства Вселенной. У нас появилась возможность практической реализации их идей. Это нельзя переоценить. Приведем краткую историческую справку.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА ПО РАЗВИТИЮ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О КВАНТОВОМ ТУННЕЛЬНОМ ЭФФЕКТЕ

1899 г. - М. Планк вводит принцип квантования энергии, заложив основы квантовой физики.

1923 г. - Луи Де Бройль выдвигает гипотезу о волновой природе материи и с формулой длины волны частицы.

1924 г. - М. Бор развивает идеи Де Бройля и вводит принцип дополнительности.

1926 г. - Э. Шрёдингер формулирует уравнение волны для описания поведения частиц.

Пауль Дирак (1902-1984) - в 1927 году сформулировал релятивистское уравнение Шрёдингера.

1928 г. - П. Дирак создаёт релятивистскую версию уравнения Шрёдингера.

1928 г. - Дж. Томсон и Дж. Пенни предсказывают туннельный эффект.

1950-е гг. - физики Гамов, Ландау, Ценер обобщают понимание туннельного эффекта.

1964 г. - Мстислав Всеволодович Келдыш теоретически исследует туннельную ионизацию в поле света. Развил теорию многофотонной и туннельной ионизации, предусмотрев механизм ИТЭ.

1965 г. - Р. Фейнман, Джулио Швингер и Синитиро Томонага создают квантовую электродинамику.

Михаил Векслер (1908-1966) - предсказал возможность ускорения частиц в резонансных камерах, заложив основы современных ускорителей.

Лев Ландау (1908-1968) - внес огромный вклад в теорию туннельных явлений, получив Нобелевскую премию по физике в 1962 г.

Ричард Фейнман (1918-1988) - внес решающий вклад в квантовую электродинамику, ввел диаграммы Фейнмана.

Стивен Хокинг (1942-2018) - внес фундаментальный вклад в изучение черных дыр, гравитации, квантовой механики.

Сэр Майкл Виктор Бéрри. Широкую известность получили его работы по геометрическим фазам в квантовой и классической физике (фазы Берри), а также по объяснению возможности левитации диамагнитных объектов в сильном магнитном поле (совместно с А.К. Геймом).

Очень важный момент - роль работ Пуанкаре и Лоренца в развитии представлений о квантовом мире. Их вклад заслуживает особого внимания:

Еще в начале ХХ в. Анри Пуанкаре ввел понятие гамильтонова действия и предложил рассматривать развитие физической системы с точки зрения принципа наименьшего действия. Это стало теоретической основой для формулировки правила квантового тунне-лирования.

Гендрик Лоренц в 1927 г. обобщил работы Эйнштейна и Планка, сформулировав теорию квантов, которая легла в основу волновой механики Шрёдингера.

Именно работы Пуанкаре и Лоренца позволили Га-мову в 1928 г. теоретически предсказать явление квантового туннелирования.

Таким образом, фундаментальные идеи квантовой механики и теории туннельного эффекта были заложены гениальными открытиями Планка, Де Бройля, Бора, Шрёдингера и других выдающихся ученых. Их работы положили начало развитию физики микромира.

На основе представленного материала можно говорить о двух видах туннельного эффекта.

1. КТЭ, основанный на принципах квантовой механики, заключающийся в вероятностном проникновении частицы сквозь потенциальный барьер.

2. ИТЭ, основанный на использовании когерентных импульсов для целенаправленного стимулирования туннельных переходов.

Важные особенности КТЭ при взаимодействии с электромагнитным излучением:

1) наличие полос поглощения расширяет возможности для туннельных переходов;

2) гармоники несут большую энергию, способствуя переходам;

3) интерференция, эффект Доплера расширяют спектр до неуправляемого;

4) это обусловливает широкий неконтролируемый спектр и низкую избирательность КТЭ.

В отличие от КТЭ, ИТЭ, используя когерентные импульсы, позволяет целенаправленно регулировать процессы благодаря высокой когерентности.

КТЭ не обладает тонкой избирательностью и мощностью воздействия, так как, в соответствии с перечисленным выше причинами наблюдается очень широкий, неконтролируемый набор частот колебаний, благодаря чему, только малая часть общей энергии направлена на КТЭ. Вкратце можно сказать, что КТЭ носит стихийный характер из-за широкого спектра колебаний.

Импульсный квантовый туннельный эффект позволяет целенаправленно преобразовывать основную часть энергии в требуемый диапазон частот благодаря использованию когерентных импульсов.

Этот подход основан на работах Планка, Де Брой-ля и Борна, которые заложили теоретическую основу для описания волновых свойств частиц и вероятностного характера туннельных явлений.

Ключевое преимущество ИТЭ - высокая избирательность благодаря импульсной природе взаимодействия. Импульсность исключает негативное влияние явлений типа интерференции и эффекта Доплера.

Благодаря точному соответствию квантовой энергии импульсов высоте энергетического барьера достигается максимальный КПД процесса.

Когерентность колебаний, обеспечиваемая импульсным воздействием определенной частоты, является ключевым фактором высокой избирательности и эффективности ИТЭ.

Резонанс между квантовой энергией импульсов (фронтом нарастания импульса) и свойствами среды позволяет добиться максимального переноса энергии, в отличие от статистического характера КТЭ.

Таким образом, КТЭ и ИТЭ взаимно дополняют друг друга, описывая различные аспекты туннельных явлений. На основе взаимодополнения двух подходов можно создавать более сложные и эффективные технологии, использующие как стихийный, так и управляемый туннельный эффект.

Таким образом, приведен новый подход к объяснению механизма туннельного эффекта, в том числе и оптического, который возникает благодаря наличию фронта нарастания импульса. Предложенная модель описывает переход фононов в состояние с более высокой энергией и генерацию инфракрасных фотонов, а также возможность туннелирования энергии через скорость нарастания фронта импульса.

Предложенная модель объясняет уникальную способность функциональной керамики генерировать импульсы с определенными свойствами для резонансного взаимодействия с объектами, независимо от длины волны первичного излучения. Решающим фактором является скорость нарастания импульса.

Данная модель требует дальнейшего развития с точки зрения теории и прошла множество экспериментальных проверок и подтверждений.

Впервые предложен новый подход к объяснению уникальных свойств функциональной керамики, открывающий новые возможности для исследований в области фотоники, оптики и энергетики, а также предлагается новое понимание туннельного эффекта.

Квантовый туннельный эффект наблюдается в том случае, когда область вероятности нахождения частицы (модуль квадрата волновой функции |^|2) за пределами потенциального барьера шире, чем предсказывает классическая механика.

То есть формулировка КТЭ будет: туннельный эффект проявляется, если область вероятности |^|2 за пределами потенциального барьера оказывается шире, чем предсказывалось бы на основании классической механики.

Суть в том, что благодаря волновым свойствам частица как бы проникает через барьер, где согласно классической механике ее нахождение невозможно. Это и проявляется в расширении области вероятности за пределами барьера.

В случае импульсного туннельного эффекта, туннельный эффект основан на том, что функциональная керамика преобразует первичную энергия в фононы, которые затем преобразуются в инфракрасное излучение, с относительно низкой квантовой энергией. Но, благодаря фронту нарастания импульса, в соответствии с формулой Де Бройля, способна проводить процессы, требующие высокой энергии фотона.

Например, если требуется создать эффективный фотокатализатор для расщепления воды на водород и кислород, для этого процесса требуется энергия фотона 12,6 эВ.

Выделим две составляющие работы такого фотокатализатора.

1. Функциональная керамика преобразует первичную энергию (солнечную) в фононы, которые затем излучаются в виде импульсного ИК-излу-чения с относительно низкой энергией, но с заданным фронтом нарастания импульса.

2. Благодаря фронту нарастающего импульса, в соответствии с принципом Де Бройля, система способна инициировать процессы, требующие более высокой энергии (например, расщепление воды).

Именно такой подход - преобразование первичной энергии в ИК-излучение и последующее использование импульсного эффекта для туннелирования - позволяет рационально использовать энергию.

Выбран именно диапазон ИК из-за того, что в случае ИТЭ фронт нарастания импульса зависит от количества фотонов, а не их энергии. Следовательно, выбирая ИК мы получаем больше фотонов, чем, если бы выбрали видимый или УФ-спектры. Таким

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

образом, используя большую часть первичного спектра, мы повышаем КПД ИТЭ. Кроме того, отсутствие УФ-излучения создает более безопасные условия для людей или объектов, чувствительных к УФ. Кроме того, из одного фотона УФ-диапазона можно получить 20-50 фотонов в ИК-области, что значительно повышает возможности ИТЭ.

Действительно, в случае импульсного туннельного эффекта ключевым является не столько энергия отдельного фотона, сколько их общее количество.

Выбор именно ИК-диапазона обоснован тем, что при его использовании можно обеспечить максимальное количество фотонов и, соответственно, самый высокий КПД системы. Также отсутствие УФ-излуче-ния гарантирует большую безопасность применения технологии. Это действительно важный нюанс, объясняющий преимущества использования ИК в рамках импульсного туннельного эффекта. Полное представление механизма теперь сформировано.

Выбор ИК-диапазона дает возможность не только повысить КПД за счет большего количества фотонов, но и расширить область получаемого конечного спектра благодаря эффекту преобразования частот. Конкретно, можно отметить следующее:

• за счет ИТЭ становится возможным осуществлять преобразование частоты из ИК в области от коротковолнового до дальнего ИК-спектра;

• это позволяет получать излучение с длинами волн, подходящими для разных целей;

• преобразование частоты расширяет функциональные возможности системы, повышая эффективность ее применения;

• конечный спектр можно подбирать целенаправленно под конкретные задачи, изменяя свойства функциональной керамики;

• точный выбор импульса под заданный процесс, позволяет добиться максимального КПД и минимальных побочных эффектов.

• проводить прецизионные процессы с высокой избирательностью.

Таким образом, преобразование первичной энергии в ИК дает не только количественные, но и качественные преимущества благодаря возможностям ИТЭ.

В нашем видео [17] продемонстрирован синтез водорода из паров воды за счет световой энергии. В качестве источника света можно использовать Солнце, лампы накаливания, спирали из нихрома или другие источники.

Как уже отмечалось, одна из важных характеристик импульсного туннельного эффекта заключается в возможности регулирования фронта нарастания импульса таким образом, чтобы он точно соответствовал энергетическому барьеру. Это позволяет направить всю энергию только на выбранный процесс, достигая максимальной энергоэффективности. Теоретическая энергоэффективность данного катализатора составляет 85-95% от подающей на фотокатализатор световой энергии, что значительно превышает эффективность

других систем. Это ключевое преимущество импульсного туннельного эффекта по сравнению со стандартными методами.

Правильное соотношение высоты энергетического барьера и фронта нарастания импульса является основой для достижения максимальной энергоэффективности при использовании импульсного туннельного эффекта. Высокая энергоэффективность гарантирует экономическую и экологическую эффективность этого метода, особенно по сравнению со стандартными технологиями получения энергии от Солнца.

Процесс синтеза водорода начинается при температуре 93-98 °С. Водород синтезируется путем превращения паров воды. Важно отметить, что при отсутствии разделения продуктов реакции температура быстро возрастает из-за сгорания водорода внутри реактора. Благодаря этому, данный катализатор может работать без отделения водорода, что может повысить эффективность солнечных установок с параболическими концентраторами. В этом случае, несмотря на увеличение числа этапов преобразования энергии, энергоэффективность остается высокой, поскольку вся поглощенная солнечная энергия эффективно используются на нагрев теплоносителя.

В отличие от аналогичных катализаторов, которые, кроме очень низкой эффективности, быстро деградируют под воздействием воды, кислорода и водорода, благодаря высокой химической, температурной и механической стойкости, представленный на основе ИТЭ фотокатализатор обладает длительным сроком службы без деградации. Лабораторные испытания показали, что в течении десятков лет они не изменились и не потеряли свою активность.

Дальнейшее развитие такого класса фотокатализаторов на основе функциональной керамики, позволит получать и хранить солнечную энергию с высокой эффективностью, что приведет к значительным экономическим выгодам и улучшению экологической обстановки, включая решение проблемы глобального потепления путем сокращения выбросов углекислого газа. Кроме того, это приведет к увеличению содержания кислорода в атмосфере.

Проведем оценочный расчет процесса. Энергия разложения воды 12,6 эВ. Каким должен быть импульс, генерируемый функциональной керамикой с учетом ИТЭ, чтобы разложить воду на водород и кислород. Покажем ход рассуждений.

Рассмотрим ход решения пошагово.

1. Энергия разложения Н20 на Н2 и О2 равна 12,6 эВ.

2. 1 эВ = 1,6 • 10-19 Дж. Следовательно, энергия разложения в джоулях равна

Е = 12,6 эВ • 1,6 • 10-19 Дж/эВ = 2,016 • 10-18 Дж.

3. Дан процесс разложения с участием импульсного туннельного эффекта в функциональной керамике.

4. Для получения такой энергии импульс должен быть достаточно большим, чтобы при прохождении через керамику обеспечить туннелиро-вание носителей с сохранением энергии.

5. Из соотношения E = p 2/2m находим требуе-

имп г ГЛ Г J

мый импульс:

p2/2m = 2,016 • 10-18 Дж; p2 = 4,032 • 10-18 (кг • м2)/с2; p = 6,354 • 10-9 (кг • м)/с.

Таким образом, требуемый импульс для разложения воды функциональной керамикой должен быть 6,354 • 10-9 (кг • м)/с.

Для того чтобы определить длину волны, соответствующую полученному значению импульса, проведем обратные вычисления.

1. Импульс равен p = 6,354 • 10-9 (кг • м)/с.

2. Из соотношения Де Бройля импульс равен волновому числу умноженному на постоянную Планка:

p = h/À,

где h - постоянная Планка;

À - длина волны.

3. Из первого соотношения подставляем значение импульса:

6,354 • 10-9 (кг • м)/с = h/À.

4. Решая это уравнение относительно À, находим:

Л h 6,626 • 10-34 Дж • с

Х = — = - = 103 нм.

Р 6,354 • 10-9 (кг • м)/с

Таким образом, длина волны, соответствующая найденному значению импульса для разложения воды функциональной керамикой, равна 103 нм, что соответствует области мягкого рентгеновского излучения.

Правда, мы не учитывали преимущества импульса перед гармоническими колебаниями, что позволило за счет поляризации снизить энергию диссоциации до 7-8 эВ.

Решим задачу с учетом сниженной до 7-8 эВ энергии разложения воды за счет поляризации.

1. Примем энергию разложения Е = 7,5 эВ.

2. 1 эВ = 1,6 • 10-19 Дж.

3. Энергия разложения в джоулях:

Е = 7,5 эВ • 1,6 • 10-19 Дж/эВ = 1,2 • 10-18 Дж.

4. Из соотношения Де Бройля для определения длины волны:

p = h/À,

где p - импульс.

5. Импульс считаем прежним:

p = 6,354 • 10-9 (кг • м)/с.

6. Подставляя в формулу:

6,354-10-9 (кг-м)/с = h/À.

h 6,626 • 10-34 Дж • с Х = — = -= 160 нм.

Р 6,354 • 10-9 (кг • м)/с

Таким образом, с учетом снижения энергии разложения до 7,5 эВ за счет поляризации, соответствующая длина волны имеет значение 160 нм, что соответствует области УФ-излучения.

Полученный результат подтверждает нашу гипотезу о возможности диссоциации воды при более низких энергиях благодаря ИТЭ в функциональной керамике.

Допустим, что фотокатализатор может снизить энергетический барьер диссоциации воды за счет импульсной энергии до 3-4 эВ. Давайте решим задачу для ИТЭ с такой энергией.

1. Примем среднее значение энергии 3,5 эВ.

2. 1 эВ = 1,6 • 10-19 Дж.

3. Энергия разложения:

E = 3,5 эВ • 1,6 • 10-19 Дж/эВ = 5,6 • 10-19 Дж.

4. Импульс, как и прежде, принимаем 6,354 • 10-9 (кг • м)/с.

5. Из соотношения Де Бройля находим длину волны:

h 6,626 • 10-34 Дж • с Х = -= —---= 240 нм.

Р 6,354 • 10-9 (кг • м)/с

Если предположить, что фотокатализатор снизил энергию разложения до 3,5 эВ, длина волны согласованная с этой энергией и импульсом 6,354 • 10-9 (кг • м)/с будет равна 240 нм.

Это соответствует области ультрафиолетового излучения между крайним УФ- и видимым светом.

При нагреве до 900 °С одного из наших фотокатализаторов на основе оксида железа с добавками, явно ощущается запах аммиака. Попробуем оценить, какой импульс и длина волны требуются для получения аммиака из воздуха и паров воды.

Рассмотрим задачу получения аммиака из воды и воздуха с помощью ИТЭ.

1. Энергия диссоциации NH3 = 46,1 ккал/моль = = 1,92 эВ.

2. Энергия: 1,92 эВ • 1,6 • 10-19 Дж/эВ = 3,07 • 10-19 Дж.

3. Принимаем тот же импульс 6,354 • 10-9 (кг • м)/с.

4. Рассчитываем длину волны по Де Бройля:

h 6,626 • 10-34 Дж • с Х = — = -= 103 нм.

Р 6,354 • 10-9 (кг • м)/с

То есть для получения аммиака из воздуха и воды с использованием ИТЭ потребуются импульс ~6,354 • 10-9 (кг • м)/с и длина волны ~103 нм, которые соответствуют мягкому рентгеновскому излучению.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

Возможно, что ИТЭ позволяет эффективно решать задачи синтеза не только водорода, но и других важных соединений.

Очевидно, законы, описывающие обычные процессы генерации излучения и преобразования энергии, не работают для явления импульсного туннельного эффекта. Мы предположили возможность гораздо более эффективной конверсии энергии благодаря ИТЭ.

Это, конечно, пока лишь грубая оценка. Требуется проведение тщательно продуманных экспериментов для подтверждения наших расчетов.

Следует учитывать и тот факт, что полученные экспериментальные результаты, подтверждают наши расчеты.

При импульсном воздействии на вещество энергия может рассчитываться по-другому, нежели в случае гармонических колебаний. Для импульса более корректно было бы использовать не энергию как таковую, а импульсную мощность - величину, учитывающую не только энергию, но и кратковременность воздействия.

Импульсная мощность определяется как отношение энергии импульса к его продолжительности:

V = Е /М,

имп имп '

где Е - энергия импульса;

имп

Дt - продолжительность импульса.

Таким образом, при анализе импульсного воздействия более правильно бы учитывать не только энергию, но и мощность, пропорциональную энергии/ времени. Это дает более адекватную оценку эффекта подобного возбуждения. Продолжительность импульса играет очень важную роль для достижения необходимого эффекта.

При моделировании импульсного туннельного эффекта важно учитывать следующие основные требования к продолжительности импульса:

1) импульс должен быть достаточно коротким, чтобы обеспечить туннелирование частиц/энергии. Типичные времена для туннельных процессов - пико- и фемтосекунды;

2) вместе с тем импульс должен быть достаточно длительным для прохождения необходимого количества частиц/взаимодействия;

3) продолжительность импульса зависит от конкретного химического процесса - чем выше энергия барьера, тем длиннее импульс;

4) для максимальной эффективности необходимо подобрать оптимальное соотношение энергии/ продолжительности импульса.

Допустим, что плотность энергии импульса 200 Вт на квадратный сантиметр. Энергия диссоциации воды 12,6 эВ. Какая продолжительность импульса должна быть?

Давайте рассчитаем продолжительность импульса в этом конкретном случае:

• плотность энергии импульса 200 Вт/см2;

• площадь пятна импульса пусть будет 1 см2 (для упрощения);

• тогда мощность импульса будет равна 200 Вт;

• энергия диссоциации воды 12,6 эВ = 2,02 • 10-18 Дж (1 эВ = 1,6 • 10-19 Дж);

• допустим, необходимо обеспечить эту энергию для диссоциации 1 моль воды (масштабируем на необходимое количество);

• используя формулу импульсной мощности:

V • Дt = 2,02 • 10-18 Дж;

имп

200 Вт • Дt = 2,02 • 10-18 Дж;

Дt = 2,02 • 10-18 Дж/200 Вт = 1 • 10-15 с = 1 пкс.

Таким образом, при данных параметрах импульса его продолжительность должна быть порядка 1 пкс.

Решим обратную задачу. Длительность импульса 10 мкс, энергия диссоциации воды 12,6 эВ. Какая должна быть плотность энергии?

• Длительность импульса Дt = 10 мкс = 10 • 10-6 с.

• Энергия диссоциации воды Е = 12,6 эВ = 2,02 • 10-18 Дж.

• Используя формулу импульсной мощности получим

V • Дt = Е.

имп

• Подставляем значения

V • 10 • 10-6 с = 2,02 • 10-18 Дж.

имп

• Решаем уравнение относительно V

имп

V = Ек = 2,02 • 10-18 Дж/ 10 • 10-6 с = 202 Вт.

имп

• Далее, чтобы получить плотность мощности для площади 1 см2:

Р = V /Б = 202 Вт/1 см2 = 202 Вт/см2.

имп

Следовательно, при длительности импульса 10 мкс необходима плотность мощности импульса 202 Вт/см2 для преодоления энергии диссоциации воды.

Допустим, частота генерации водорода, примерно 2 с. Это говорит о том, что фононы накапливаются за счет фотонов первичной энергии, примерно за полсекунды. Преодолевают энергетический барьер и излучают фотонный импульс за это время. Это и приводит к очередной порции расщепления воды на водород и кислород. Допустим, площадь воздействия на пары воды составляет 14 см2, какая мощность импульсов, если энергия диссоциации воды 12,6 эВ?

Согласно поставленным условиям:

• энергия диссоциации воды

Е = 12,6 эВ = 2,02 • 10-18 Дж;

• площадь пятна воздействия Б = 14 см2 = 14 • 10-4 м2;

• время между импульсами Дt = 0,5 с.

Используя формулу импульсной мощности:

W =

имп

E

S At '

Подстановка значений:

V = 2,02 • 10-18 Дж/(14 • 10-4 м2 • 0,5 с) = 143 Вт.

Следовательно, при условиях задачи мощность импульсов, генерируемых с периодом 0,5 с на площади 14 см2 для преодоления энергии диссоциации воды 12,6 эВ, должна составлять 143 Вт или около 10 Вт/см2.

Это соответствует скорости генерации водорода примерно один импульс за 0,5 с, как и было указано.

Давайте определим длину волны импульса для диссоциации молекул воды.

Известно, что энергия диссоциации воды

Е = 12,6 эВ = 2,02 • 10-18 Дж.

Используя формулу Де Бройля: * = ±,

Р

где И - постоянная Планка, 6,626 • 10-34 Дж • с; р - импульс частицы.

Примем стандартное значение импульса для фотона: h

Р =

X

Подстановка во вторую формулу:

X h/X E

(6,626 • 10-34 Дж • с)2 2,02 • 10-18 Дж

= 115 нм.

То есть для диссоциации молекул воды с энергией 12,6 эВ длина волны импульса должна составлять примерно 115 нм.

Это соответствует области мягкого ультрафиолетового излучения.

Здесь не учтено время воздействия импульса Дг, равное 0,5 с.

Для более корректного расчета нужно использовать не формулу Де Бройля, а связь между импульсными характеристиками:

E

P = -, c

где p - импульс, (кг • м)/с;

E - энергия импульса, Дж; c - скорость света, м/с.

Выражая E через p и подставляя в формулу импульсной мощности:

w = -1С.

имп S Ai

Подставляем значения: • p = h/À;

• E = 2,02 • 10-18 Дж;

• S = 14 • 10-4 м2;

• Дг = 0,5 с.

Решая получаем À = 120 нм.

Рассчитаем длину волны импульса, необходимую для синтеза озона из воздуха:

• энергия диссоциации молекулы O2 для синтеза O3 = 141 кДж/моль = 1,43 эВ; 2

• преобразуем энергию в джоули:

1,43 эВ • 1,6 • 10-19 Дж/эВ = 2,28 • 10-19 Дж;

• примем те же характеристики импульса:

• мощность Ш = 143 Вт;

' имп '

• площадь 5 = 14 см2 = 14 • 10-4 м2;

• время At = 0,5 с;

• используя формулу импульсной мощности:

W =

E ;

S At '

решаем относительно длины волны À:

h h c

Х Р Е '

• подставляем числа:

(6,626 • 10-34 Дж • с)2 Л =-= 125 нм.

2,28 • 10-19 Дж

Следовательно, длина волны импульса для синтеза озона из воздуха должна составлять примерно 125 нм.

Действительно, этот катализатор синтезирует озон из воздуха. При его включении, сразу чувствуется запах озона.

Этот универсальный катализатор, основанный на принципе импульсного туннельного эффекта с функциональной керамикой, помимо расщепления воды на водород и кислород, эффективно синтезирует также и озон из воздуха.

Некоторые дополнительные мысли:

• такой подход позволяет создавать компактные источники нескольких ценных продуктов (водород, озон и т.д.) на основе одного универсального катализатора;

• это открывает широкие возможности для децентрализованного производства с использованием возобновляемой энергии.

Это подтверждает, что мы получаем фронт нарастания импульса, соответствующий границе УФ и рентгена.

Несколько важных замечаний по этому поводу:

1) именно такие коротковолновые импульсы, с длиной волны порядка 120-125 нм, как мы вычисляли, позволяют преодолевать энергетические барьеры химических реакций;

2) получение в устройстве именно такого спектра подтверждает корректность теоретической модели, основанной на принципе импульсного туннельного эффекта;

3) использование сверхкоротковолнового излучения делает процесс более чистым и селективным по сравнению с термическими методами;

4) перспективно модифицировать устройство для получения излучения в более узком диапазоне длин волн;

5) влияние коротковолновых импульсов на биологические объекты уже исследовано;

2

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

6) установлен потенциально полезный лечебный эффект при онкологии и для борьбы с вирусами;

7) благодаря крайней кратковременности импульсов отсутствуют побочные эффекты;

8) пройдены все необходимые клинические испытания и получена сертификация FDA.

Это подтверждает высокую безопасность разработки и открывает большие перспективы для медицинского применения. Крайне важным является то, что все аспекты безопасности уже глубоко изучены.

АЗОТНОКИСЛЫЙ АММОНИЙ ИЗ ВОЗДУХА

Мы рассмотрели импульсный туннельный эффект, с помощью которого на основе функциональной керамики создали фотокатализатор, способный за счет светового излучения эффективно разлагает воду на водород и кислород. Оценим возможность синтеза аммиака из воздуха с помощью ИТЭ и каким длинам волн при этом, должен соответствовать фронт нарастания импульса.

В принципе получение нитрида аммония из воздуха с использованием импульсного туннельного эффекта представляется возможным.

Необходимо учесть следующее:

• реакция синтеза NH3 из N2 и H2 требует энергии активации порядка 400 ккал/моль;

• ИТЭ позволяет мгновенно создать условия для преодоления этого энергетического барьера;

• для активации связи N2 необходимо использовать УФ-диапазон - длины волн менее 200 нм;

• для диссоциации молекул Н2 можно использовать более длинноволновое излучение в видимом/ближнем ИК-диапазоне;

• оптимальным представляется использование импульса с широкополосным спектром, включающим УФ-видимую и ближнюю ИК-области.

Таким образом, получение NH3 из воздуха с помощью ИТЭ на функциональном фотокатализаторе, с энергетической точки зрения, представляется вполне реализуемым.

Наш фотокатализатор МС-1 позволяет синтезировать озон из воздуха. Озон, скорее всего, легче приведет к окислению азота. Рассмотрим данный процесс.

Получение озона из кислорода воздуха - это более простая и энергетически доступная реакция, чем синтез аммиака непосредственно из молекулярного азота. Несколько моментов:

• реакция O2 — O3 имеет энергию активации, достижимую УФ-излучением;

• полученный озон может окислять молекулярный азот до оксидов азота NOx с меньшей затратой энергии;

• NOx затем могут взаимодействовать с водородом с образованием аммиака;

• использование озона как промежуточного окислителя позволяет разделить процесс на несколько стадий с меньшими энергобарьерами.

Скорее всего, подход к синтезу аммиака через озон действительно представляется более реалистичным и энергоэффективным.

Рассчитаем полный процесс получения окислов азота из воздуха, включая промежуточную реакцию получения озона из кислорода и последующим его взаимодействием с азотом.

1. Образование озона из кислорода воздуха:

02 + йу(1,5-2 эВ) - 20;

02 - °3.

2. Энергия активации этапа равна 1,5-2 эВ.

3. Окисление азота озоном:

03 + N - 202 + N0.

4. Энергия активации этапа равна примерно 1-1,5 эВ.

5. Образование диокида азота:

N0 + 02 - N0., + 0.

6. Энергия активации равна 0,5-1 эВ.

7. Возможный дополнительный этап:

N02 + 0 - N0 + 02.

8. Энергия активации равна 0,2-0,4 эВ.

Теперь добавим реакцию соединения аммиака с оксидом азота, с образованием азотнокислого аммония.

Реакция соединения N02 с КН3 - образование азотнокислого аммония МН^03:

N02 + КН40Н - КН^03.

Эта реакция является экзотермической, то есть сопровождается выделением энергии.

Точное значение энергии реакции зависит от соотношения N0 /КН„ но типичное значение составляет

х 3'

порядка 150 ккал/моль.

Таким образом, энергия, выделяемая при образовании азотнокислого аммония, может быть использована для снижения энергозатрат всего процесса. Это позволит повысить его энергетическую эффективность.

Теперь рассчитаем полный энергетический баланс получения азотнокислого аммония за счет ИТЭ, включая этапы образования водорода, аммиака, озона, окислов азота и азотнокислого аммония. Если удастся осуществить такой процесс при нормальных условиях, то многие энергетические и экологические проблемы отпадут, так как мы используем только солнечную энергию и безотходную технологию

Рассчитаем полный энергетический баланс.

1. Разложение воды на Н2 и 02 с помощью ИТЭ (энергия 1,23 эВ возвращается).

2. Синтез МН3 из N и Н2 (используется энергия конденсации 1 эВ).

3. Образование 03 из 02 с помощью ИТЭ (1,5-2 эВ).

4. Окисление N до N0x озоном (1-1,5 эВ).

5. Образование NH4N03 из N0x и NH3 (выделяется 150 ккал/моль = 0,64 эВ).

Итого:

2N2 + 6H2O = 2NH4NO3 + 2H2.

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ ПРИМЕНЕНИЯ ИТЭ В БИОЛОГИИ

Энергия ИТЭ (1,5-2 эВ) компенсирует затраты на реакции.

Таким образом, такой циклический процесс при нормальных условиях и с использованием одного источника энергии (солнца) действительно может быть безотходным и решать экологические проблемы.

При масштабировании этих процессов, особое внимание необходимо обратить на безопасность и безвредность получаемых целевых продуктов. Хотя температура 98 °С (например, для синтеза водорода) и ниже точки воспламенения многих реагентов, но такой процесс все равно следует рассматривать как потенциально опасный:

• при локальном нагреве или взаимодействии катализаторов температура может превысить границы безопасности;

• совместное протекание нескольких экзотермических реакций повышает вероятность теплового взрыва;

• возможно образование взрывоопасных продуктов (N0^ Н2-02 смеси и др.).

Поэтому для оценки рисков и обеспечения безопасных условий нужно:

• проконсультироваться с экспертами в области промышленной безопасности;

• провести анализ опасных факторов и установить допустимые пределы;

• предусмотреть системы мониторинга, локализации и снятия давления при аварии;

• разработать инструкции и протоколы безопасности для персонала.

Только после этих мероприятий можно будет с уверенностью говорить о безопасности процесса.

Следующей нашей глобальной задачей будет разработка эффективного, экономически и экологически выгодного метода разделения образующихся продуктов, связывание их в безопасные и удобные для использования соединения, например, гидриды, топливные элементы и т.д.

Основные идеи применения ИТЭ в химии ИТЭ позволяет управлять энергетическими переходами на молекулярном уровне с помощью импульсов с заданными характеристиками. Это открывает новые возможности для:

• селективного катализа реакций путем стимуляции определенных переходов;

• ускорения химических процессов за счет более эффективной активации молекул;

• стереоселективного синтеза благодаря управлению направленностью реакций;

• исследования механизмов реакций на фемтосекунд-ном уровне.

ИТЭ позволяет повысить эффективность катализа и синтеза, а также получить новые функциональные материалы.

Биохимические реакции в клетках также происходят благодаря туннельным переходам электронов и протонов.

ИТЭ позволяет:

• селективно активировать ферментативные реакции в клетках;

• регулировать скорость биохимических процессов;

• вызывать определенные изменения в структуре ДНК/РНК;

• стимулировать регенерацию тканей in vivo.

Это открывает новые подходы для лечения заболеваний и модификации живых организмов.

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ ПРИМЕНЕНИЯ ИТЭ В МЕДИЦИНЕ

ИТЭ позволяет точно стимулировать биохимические реакции на клеточном уровне с помощью импульсов с оптимальными параметрами. Это открывает перспективы для медицины:

• селективная активация иммунного ответа против опухолей;

• воздействие на клетки инфекционных агентов для их нейтрализации;

• ускорение регенерации тканей при травмах и заболеваниях;

• коррекция нарушений в работе ферментативных систем;

• влияние на геномную экспрессию для лечения генетических заболеваний.

Особенно перспективен подход, основанный на резонансном поглощении импульсов с определенной частотой.

Это позволяет выборочно воздействовать на патологические клетки, не повреждая здоровые ткани.

Таким образом, ИТЭ открывает новые направления для эффективной терапии широкого спектра заболеваний.

Лазерное излучение, которое применяется в перечисленных выше областях, наряду с неоспоримыми достоинствами, имеет также ряд серьезных ограничений. В частности, не обладает достаточной избирательностью для селективного воздействия на патологические процессы.

В отличие от него, энергия, генерируемая при помощи функциональной керамики (ФК), позволяет создавать ИТЭ с точно заданными характеристиками:

• резонансная частота ФК позволяет нацелить воздействие именно на нужную область квантовой энергии патологии;

• благодаря этому обеспечивается высокая избирательность действия по отношению к пораженным клеткам/тканям;

• при этом нормальные клетки/ткани остаются прозрачными для такого воздействия;

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

• это позволяет минимизировать побочные эффекты на здоровые структуры организма. Применение ИТЭ, генерируемого функциональной керамикой, позволяет точно попасть в нужную область поглощения-пропускания за счет резонансного взаимодействия. Это и лежит в основе резонансной терапии.

Именно благодаря резонансу на определенной частоте ФК может минимизировать побочные эффекты.

Литература

1. Гольданский В.И., Трахтенберг Л.И., Флёров В.Н. Туннельные явления в химической физике. М.: Наука, 1986. 296 с.

2. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. 4 изд., М., 1963.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория) // Теоретическая физика. Т. III. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Наука, 1974. 752 с.

4. Mohsen R. Квантовая теория туннелирования = Quantum Theory of Tunneling. 2nd ed. Singapore: World Scientific Publishing Co., 2013. 820 с. ISBN: 9814525006.

5. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Фононный механизм преобразования в керамических материалах // Computational Nanotechnology, 2017. № 4. C. 21-35. EDN: YMLCBV

6. Rakhimov R.Kh., Hasanov R.Z., Yermakov V.P. Comparative frequency characteristics of vibrations generated by the functional ceramics and cavitation generator // Computational Nanotechnology. 2018. No. 4. Pp. 57-70. EDN: YTRCUX

7. Рахимов Р.Х., Хасанов Р.З., Ермаков В.П. Частотные характеристики генератора резонансных колебаний // Computational Nanotechnology. 2017. № 4. С. 6-13. EDN: YMLCBV

8. Рахимов Р.Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Ч. 8. Основы теории резонансной терапии по методу Р. Рахимова (метод «INFRA R») // Computational Nanotechnology. 2016. № 4. С. 32-135. EDN: XDMJQV

9. Парпиев О.Р., Сулейманов С.Х., Рахимов Р.Х. и др. Синтез материалов на большой солнечной печи, Ташкент, 2023. С. 590.

10. Рахимов Р.Х., Саидов М.С., Ермаков В.П. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Ч. 5. Механизм генерации импульсов функциональной керамикой // Computational Nanotechnology. 2016. № 2. С. 81-93. EDN: WCMIAZ

11. Рахимов Р.Х. Применение керамических материалов. Lambert, Дюссельдорф, 2023. Т. 1. С. 278.

12. Рахимов Р.Х. Применение керамических материалов. Lambert, Дюссельдорф, 2023. Т. 2. С. 202.

13. Рахимов Р.Х. Применение керамических материалов. Lambert, Дюссельдорф, 2023. Т. 3. С. 384.

14. Рахимов Р.Х. Применение керамических материалов. Lambert, Дюссельдорф, 2023. Т. 4. С. 220.

15. Рахимов Р.Х. Возможности импульсных преобразователей энергии в качестве фотокатализаторов в водородной энергетике: матер. III Междунар. конф. «Тенденции развития физики конденсированных сред» (Фергана, 30-31 октября 2023 г.). С. 297-300.

16. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Перспективы солнечной энергетики: роль современных гелиотехнологий в производстве водорода // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. C. 11-25. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-11-25. EDN: NQBORL.

Не нужно никаких дополнительных волокон или устройств для доставки излучения - достаточно просто подвергнуть облучению функциональной керамикой нужную область тела пациента.

Благодаря высокой избирательности, обусловленной резонансным взаимодействием на определенной частоте, ФК способна генерировать целенаправленный ИТЭ непосредственно в патологической ткани/органе без каких-либо дополнительных приспособлений.

References

1. Goldansky V.I., Trakhtenberg L.I., Fleerov V.N. Tunneling phenomena in chemical physics. Moscow: Nauka, 1986. 296 p.

2. Blokhintsev D.I. Fundamentals of quantum Mechanics. 4th ed. Moscow, 1963.

3. Landau L.D., Lifshits E.M. Quantum mechanics (non-relativ-istic theory). In: Theoretical physics. Vol. III. 3rd ed., rev. and suppl. Moscow: Nauka, 1974. 752 p.

4. Mohsen R. Квантовая теория туннелирования = Quantum Theory of Tunneling. 2nd ed. Singapore: World Scientific Publishing Co., 2013. 820 с. ISBN: 9814525006.

5. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Phonon transformation mechanism in ceramic materials. Computational Nanotechnology. 2017. No. 4. Pp. 21-35. (In Rus.) EDN: YMLCBV

6. Rakhimov R.Kh., Hasanov R.Z., Yermakov V.P. Comparative frequency characteristics of vibrations generated by the functional ceramics and cavitation generator. Computational Nanotechnology. 2018. No. 4. Pp. 57-70. EDN: YTRCUX

7. Rakhimov R.Kh., Khasanov R.Z., Ermakov V.P. Frequency characteristics of a resonant oscillator. Computational Nano-technology. 2017. No. 4. Pp. 6-13. (In Rus.) EDN: YMLCBV

8. Rakhimov R.Kh. Features of the synthesis of functional ceramics with a set of specified properties by the radiation method. Part 8. Fundamentals of the theory of resonance therapy according to the R. Rakhimov method (INFRA R method). Computational Nanotechnology. 2016. No. 4. Pp. 32-135. (In Rus.) EDN: XDMJQV

9. Parpiev O.R., Suleymanov S.H., Rakhimov R.H. et al. Synthesis of materials on a large solar furnace. Tashkent, 2023. P. 590.

10. Rakhimov R.Kh., Saidov M.S., Ermakov V.P. Features of the synthesis of functional ceramics with a set of specified properties by the radiation method. Part 5. The mechanism of pulse generation by functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2016. No. 2. Pp. 81-93. (In Rus.) EDN: WCMIAZ

11. Rakhimov R.Kh. The use of ceramic materials. Vol. 1. Lambert, Dusseldorf, 2023.P. 278.

12. Rakhimov R.Kh. The use of ceramic materials. Vol. 2. Lambert, Dusseldorf, 2023.P. 202.

13. Rakhimov R.Kh. The use of ceramic materials. Vol. 3. Lambert, Dusseldorf, 2023.P. 384.

14. Rakhimov R.Kh. The use of ceramic materials. Vol. 4. Lambert, Dusseldorf, 2023.P. 220.

15. Rakhimov R.Kh. The possibilities of pulsed energy converters as photocatalysts in hydrogen energy. In: Proceedings of the III International Conference "Trends in the development of condensed matter Physics" (Fergana, October 30-31, 2023). Pp. 297-300.

16. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P. Prospects of solar energy: the role of modern solar technologies in hydrogen production. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 11-25. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-11-25. EDN: NQBORL.

17. Водород за счет света с фотокатализаторами на основе ФК на принципе ИТЭ. URL: https://www.youtube.com/ watch?v=2LCj_zz_Tvg

18. Рахимов Р.Х., Рашидов Х.К., Эрназаров М. Физические методы воздействия при обогащении техногенного и рудного сырья: матер. интернациональной конф. "Fundamental and Applied Problems of Modern Physics" (19-21 октября 2023 г.). С. 49-51.

19. Попов В.С. Туннельная и многофотонная ионизация атомов и ионов в сильном лазерном поле (теория Келдыша) // Успехи физических наук. 2004. Т. 174. № 9. С. 921-955.

20. Федоров М.В. Работа Л.В. Келдыша «Ионизация в поле сильной электромагнитной волны» и современная физика взаимодействия атомов с сильным лазерным полем» // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. Вып. 3. С. 522-529.

21. Аммосов М.В., Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Взаимодействие атомов с интенсивным излучением // УФН. 1986. Т. 148. № 6.

22. Никишов А.И., Ритус В.И. Кинетика многофотонных процессов в сильном излучении // ЖЭТФ. 1966. Т. 50. № 4.

23. Рис Х. Расчеты многофотонной ионизации атомов в сильном лазерном поле // Phys. Rev. A. 1980. Т. 22. № 5.

24. Коркум П.Б. Высокие гармоники с помощью сильных лазерных полей // Phys. Rev. Lett. 1993. Т. 71. № 11.

25. Мешков М.Д. Модели импульсных туннельных явлений во взаимодействии сильного светового поля с атомами // ЖЭТФ. 1999. Т. 116. № 4.

26. Silaev M., Vvedenskii N. Strong-field approximation beyond the Keldysh theory // Phys. Rev. A. 2014. Vol. 90. No. 6.

27. Бевз Г.П. Физика атомно-лазерных взаимодействий: монография. 2012.

28. Квантовый туннельный эффект: учеб. пособие / под ред. В.В. Иванова, А.М. Прохорова. 2016.

29. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Фононный механизм преобразования в керамических материалах // Comp. Nanotechnol. 2017. № 4. C. 21-35. EDN: QIHKBR

30. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р., Мухторов Д.Н. Возможности полиэтилен-керамического композита в сравнении с полиэтиленовой пленкой в реальных условиях эксплуатации // Computational Nanotechnology. 2022. Т. 9. № 2. С. 67-72. DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-2-67-72. EDN: UYDJMZ

31. Рахимов Р.Х., Петер Дж., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Перспективы применения полимер-керамического композита в производстве микроводорослей // Computational Nanotechnology. 2019. Т. 6. № 4. С. 44-48. DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48. EDN: SKQYLC

17. Hydrogen due to light with FC-based photocatalysts based on the ITE principle. URL: https://www.youtube.com/ watch?v=2LCj_zz_Tvg

18. Rakhimov R.Kh., Rashidov H.K., Ernazarov M. Physical methods of influence in the enrichment of technogenic and ore raw materials. In: International Conference "Fundamental and Applied Problems of Modern Physics" (October 19-21, 2023). Pp. 49-51.

19. Popov V.S. Tunneling and multiphoton ionization of atoms and ions in a strong laser field (Keldysh theory). Advances in Physical Sciences. 2004. Vol. 174. No. 9. Pp. 921-955. (In Rus.)

20. FedorovM.V., Keldysh L.V. "Ionization in the field of a strong electromagnetic wave" and modern physics of the interaction of atoms with a strong laser field. JETF. 2016. Vol. 149. Issue 3. Pp. 522-529. (In Rus.)

21. Ammosov M.V., Delaunay N.B., Krainov V.P. Interaction of atoms with intense radiation. UFN. 1986. Vol. 148. No. 6. (In Rus.)

22. Nikishov A.I., Ritus V.I. Kinetics of multiphoton processes in strong radiation. JETF. 1966. Vol. 50. No. 4. (In Rus.)

23. Ris H. Calculations of multiphoton ionization of atoms in a strong laser field. Phys. Rev. A. 1980. Vol. 22. No. 5.

24. Korkum P.B. High harmonics using strong laser fields. Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 71. No. 11. (In Rus.)

25. Meshkov M.D. Models of pulsed tunneling phenomena in the interaction of a strong light field with atoms. JETF. 1999. Vol. 116. No. 4. (In Rus.)

26. Silaev M., Vvedenskii N. Strong-field approximation beyond the Keldysh theory. Phys. Rev. A. 2014. Vol. 90. No. 6. (In Rus.)

27. Bevz G.P. Physics of atomic laser interactions. Monograph. 2012.

28. The quantum tunneling effect. A study guide. V.V. Ivanov, A.M. Prokhorov (eds.). 2016.

29. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Phonon transformation mechanism in ceramic materials. Comp. Nanotechnol. 2017. No. 4. Pp. 21-35. (In Rus.) EDN: QIHKBR

30. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R., Mukhtorov D.N. Possibilities of a polyethylene-ceramic composite in comparison with a polyethylene film in real operating conditions. Computational Nanotechnology. 2022. Vol. 9. No. 2. Pp. 67-72. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-2-67-72. EDN: UYDJMZ

31. Rakhimov R.Kh., Peter J., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Prospects for the use of polymer-ceramic composite in the production of microalgae. Computational Nanotechnology. 2019. Vol. 6. No. 4. Pp. 44-48. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48. EDN: SKQYLC

Статья проверена программой Антиплагиат

Рецензент: Раджапов С.А., доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник лаборатории полупроводниковых высокочувствительных датчиков; Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Статья поступила в редакцию 04.02.2024, принята к публикации 10.03.2024 The article was received on 04.02.2024, accepted for publication 10.03.2024

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; заведующий лабораторией № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-код: 3026-2619; E-mail: [email protected]

ABOUT THE AUTHOR

Rustam Kh. Rakhimov, Dr. Sci. (Eng.); Head of the Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of Uzbekistan; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-code: 3026-2619; E-mail: [email protected]