Kvanteeffekter

Kvanteeffekter är fenomen som uppstår när kvantmekanikens principer styr ett systems beteende, ofta när storleken är mycket liten eller energinivåer blir diskreta. De skiljer sig från klassiska förklaringar genom att egenskaper som position och energi ofta beskrivs som sannolikheter och tillstånd i superposition.

En grundläggande idé är våg-partikel-dualitet och interferens. Partiklar uppför sig ibland som vågor och kan skapa interferens, även när de mäts som separata enheter. I dubbelspaltexperimentet genereras interferensmönster av enskilda partiklar, vilket visar att de kan befinna sig i en superposition av vägar samtidigt.

Kvantisering av energi leder till diskreta tillstånd i atomer och i lågdimensionella system. Elektronerna uppvisar specifika energinivåer som ger upphov till karakteristiska spektra. Tunneling beskriver hur en partikel har sannolikhet att passera genom en klassiskt förbjuden energibarriär, vilket är centralt i exempelvis elektroniska tunnlningseffekter och dioder.

Entanglement är ett annat centralt fenomen där två eller flera system blir starkt korrelerade oberoende av avståndet. Mäts resultat visar icke-lokala samband som inte kan förklaras av lokala realistiska teorier, vilket ligger till grund för kvantteleportation och vissa prov som testar kvantmekanikens icke-lokalitet.

Viktiga kvanteffekter är Casimir-effekten (kraft mellan närliggande ytor orsakad av kvantfluktuationer), kvant-Hall-effekten (exakt conductance i tvådimensionella system under starkt magnetfält) och Josephson-effekten (super­strömmar mellan sammanfogade ledare). Dessa phenomena har stor betydelse för teknik och grundforskning.

Forskningen i kvanteeffekter har varit avgörande för utvecklingen av halvledare, laserteknik och bildteknik, samt för framväxten av kvantdatorer och kvantkryptografi.