Kvantointielementti

Kvantointielementti on käsite, jolla tarkoitetaan fysikaalista ominaisuutta, jonka arvo voi esiintyä vain tietyt erilliset diskreettejä arvoja kvanttimekaniikan vaikutuksesta. Toisin sanoen ominaisuus on kvantittunut. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi energiatilat, hiukkasen spini sekä useat sähköiset ja magneettiset momentit.

Yleisimmät esimerkit liittyvät energiatiloihin atomeissa, joissa elektronit voivat olla vain tietyissä tiloissa. Samoin fotonin energia on E = hf. Joissain järjestelmissä sähköinen johtavuus on kvantittunut, ja sitä ilmenee johtavuuden kvantteina, kuten G0 = 2e^2/h. Kvantointi näkyy myös magneettisessa fluxissa ja superjohtavissa suljetuissa silmukoissa.

Matematiikassa kvantointielementit nähdään eigenarvo-ongelmina. Ratkaisut Schrödingerin tai Diracin yhtälöihin tuottavat energiatiloja sekä tilojen kvanttilukuja, kuten n, l, m_l ja m_s atomissa. Näiden arvojen diskreetti luonne johtaa siihen, että suuret muuttuvat vain askelten kaltaisina.

Esimerkkejä sovelluksista ovat kvanttipisteet (quantum dots), joissa elektronien energialinjat muodostuvat kyvystä paikantaa hiukkanen pienellä alueella; atomien elektronit; kvanttitietokoneiden ja kvanttisensorien kehittäminen sekä Josephson-jonkin kaltaiset laitteet.

Kvantointielementin käsite on keskeinen sekä perusfysiikassa että teknologian kehityksessä. Se selittää ilmiöitä, joita klassisessa fysiikassa ei voi analysoida ja on pohja modernille nanoteknologialle, semikonduktoreille ja kvanttilaskennalle.