Un pozo potencial es la región que rodea un mínimo local de energía potencial . La energía capturada en un pozo potencial no se puede convertir en otro tipo de energía ( energía cinética en el caso de un pozo potencial gravitacional ) porque está capturada en el mínimo local de un pozo potencial. Por lo tanto, un cuerpo puede no llegar al mínimo global de energía potencial, como tendería naturalmente a hacerlo debido a la entropía .
Se puede liberar energía de un pozo potencial si se agrega suficiente energía al sistema de modo que se supere el máximo local. En física cuántica , la energía potencial puede escapar de un pozo potencial sin energía adicional debido a las características probabilísticas de las partículas cuánticas ; en estos casos se puede imaginar que una partícula atraviesa las paredes de un pozo potencial.
La gráfica de una función de energía potencial 2D es una superficie de energía potencial que puede imaginarse como la superficie de la Tierra en un paisaje de colinas y valles. Entonces, un pozo potencial sería un valle rodeado por todos lados por un terreno más alto, que de esta manera podría llenarse de agua (p. ej., ser un lago ) sin que el agua fluya hacia otro mínimo inferior (p. ej., el nivel del mar ).
En el caso de la gravedad , la región alrededor de una masa es un pozo de potencial gravitacional, a menos que la densidad de la masa sea tan baja que las fuerzas de marea de otras masas sean mayores que la gravedad del propio cuerpo.
Una colina potencial es lo opuesto a un pozo potencial y es la región que rodea un máximo local .
El confinamiento cuántico se puede observar una vez que el diámetro de un material es de la misma magnitud que la longitud de onda de De Broglie de la función de onda del electrón . [1] Cuando los materiales son tan pequeños, sus propiedades electrónicas y ópticas se desvían sustancialmente de las de los materiales a granel. [2]
Una partícula se comporta como si estuviera libre cuando la dimensión que la limita es grande en comparación con la longitud de onda de la partícula. Durante este estado, la banda prohibida permanece en su energía original debido a un estado de energía continuo. Sin embargo, a medida que la dimensión de confinamiento disminuye y alcanza un cierto límite, típicamente en nanoescala, el espectro de energía se vuelve discreto . Como resultado, la banda prohibida depende del tamaño. A medida que el tamaño de las partículas disminuye, los electrones y los huecos de los electrones se acercan y la energía necesaria para activarlos aumenta, lo que finalmente resulta en un desplazamiento hacia el azul en la emisión de luz .
Específicamente, el efecto describe el fenómeno resultante de que los electrones y los huecos de los electrones sean comprimidos en una dimensión que se aproxima a una medida cuántica crítica , llamada radio de Bohr del excitón . En la aplicación actual, un punto cuántico , como una pequeña esfera, se limita a tres dimensiones, un cable cuántico se limita a dos dimensiones y un pozo cuántico se limita sólo a una dimensión. Estos también se conocen como pozos de potencial cero, unidimensional y bidimensional, respectivamente. En estos casos se refieren al número de dimensiones en las que una partícula confinada puede actuar como portador libre. Consulte los enlaces externos a continuación para ver ejemplos de aplicaciones en biotecnología y tecnología de células solares.
Las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales se ven afectadas por el tamaño y la forma. Se obtuvieron logros técnicos bien establecidos, incluidos los puntos cuánticos, a partir de la manipulación del tamaño y la investigación para corroborar teóricamente el efecto del confinamiento cuántico. [3] La mayor parte de la teoría es que el comportamiento del excitón se asemeja al de un átomo a medida que el espacio que lo rodea se acorta. Una aproximación bastante buena del comportamiento de un excitón es el modelo tridimensional de una partícula en una caja . [4] La solución de este problema proporciona una única [ aclaración necesaria ] conexión matemática entre los estados de energía y la dimensión del espacio. Disminuyendo el volumen o las dimensiones del espacio disponible, aumenta la energía de los estados. En el diagrama se muestra el cambio en el nivel de energía de los electrones y la banda prohibida entre el nanomaterial y su estado general.
La siguiente ecuación muestra la relación entre el nivel de energía y el espaciado de dimensiones:
Los resultados de la investigación [5] proporcionan una explicación alternativa del cambio de propiedades a nanoescala. En la fase masiva, las superficies parecen controlar algunas de las propiedades observadas macroscópicamente. Sin embargo, en las nanopartículas , las moléculas de la superficie no obedecen a la configuración esperada [ ¿cuál? ] en el espacio. Como resultado, la tensión superficial cambia enormemente.
La ecuación de Young-Laplace puede proporcionar una base para la investigación de la escala de fuerzas aplicadas a las moléculas de la superficie:
Bajo el supuesto de forma esférica y resolviendo la ecuación de Young-Laplace para los nuevos radios (nm), estimamos el nuevo (GPa). Cuanto más pequeños sean los radios, mayor será la presión presente. El aumento de presión a nanoescala da como resultado fuertes fuerzas hacia el interior de la partícula. En consecuencia, la estructura molecular de la partícula parece ser diferente del modo masivo, especialmente en la superficie. Estas anomalías en la superficie son responsables de cambios en las interacciones interatómicas y la banda prohibida . [6] [7]
![{\displaystyle E_{n_{x},n_{y},n_{z}}={\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2m}}\left[\left({\ frac {n_{x}}{L_{x}}}\right)^{2}+\left({\frac {n_{y}}{L_{y}}}\right)^{2}+\ izquierda({\frac {n_{z}}{L_{z}}}\right)^{2}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cf75ae87451865b306158f067de13885bf5985ea)
