ฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิกเป็นสาขาย่อยของฟิสิกส์สสารควบแน่น ที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ ^ที่มีขนาดปานกลาง วัสดุเหล่านี้มีขนาดตั้งแต่ระดับนาโนเมตร สำหรับ อะตอมจำนวนหนึ่ง(เช่นโมเลกุล ) ไปจนถึงวัสดุที่มีขนาดระดับไมโครเมตร [ ^{1 ]}ขีดจำกัดล่างยังสามารถกำหนดได้ว่าเป็นขนาดของอะตอมแต่ละตัว ที่ ระดับไมโครสโคปิก คือวัสดุจำนวนมาก ทั้งวัตถุระดับเมโซสโคปิกและระดับมหภาคประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ในขณะที่สมบัติเฉลี่ยที่ได้จากวัสดุที่เป็นส่วนประกอบอธิบายวัตถุระดับมหภาค เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วจะเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์คลาสสิกในทางตรงกันข้าม วัตถุระดับเมโซสโคปิกจะได้รับผลกระทบจากความผันผวนทางความร้อนรอบค่าเฉลี่ย และพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ของมันอาจต้องใช้การสร้างแบบจำลองในระดับกลศาสตร์ควอนตัม^{[ 2 ] [ 3 ]}

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดมหภาค เมื่อย่อขนาดลงเหลือขนาดระดับเมโซสโคปิก จะเริ่มแสดงคุณสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัม ตัวอย่างเช่น ในระดับมหภาค ค่าการนำไฟฟ้าของลวดจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามเส้นผ่านศูนย์กลาง อย่างไรก็ตาม ในระดับเมโซสโคปิก ค่าการนำไฟฟ้าของลวดจะถูกทำให้เป็นควอนตัม กล่าวคือ การเพิ่มขึ้นจะเกิดขึ้นเป็นขั้นๆ หรือเป็นจำนวนเต็มแต่ละขั้น ในระหว่างการวิจัย อุปกรณ์ระดับเมโซสโคปิกถูกสร้างขึ้น วัด และสังเกตทั้งในเชิงทดลองและเชิงทฤษฎีเพื่อพัฒนาความเข้าใจในฟิสิกส์ของฉนวน สารกึ่งตัวนำโลหะและตัวนำยิ่งยวด วิทยาศาสตร์ประยุกต์ของฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิกเกี่ยวข้องกับศักยภาพในการสร้างอุปกรณ์ระดับนาโน

ฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิกยังกล่าวถึงปัญหาเชิงปฏิบัติพื้นฐานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุระดับมหภาคถูกย่อส่วน เช่น การย่อส่วนทรานซิสเตอร์ในอิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์ คุณสมบัติทางกล ทางเคมี และทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อขนาดเข้าใกล้ระดับนาโนเมตร ซึ่งเปอร์เซ็นต์ของอะตอมที่พื้นผิวของวัสดุจะมีนัยสำคัญ สำหรับวัสดุขนาดใหญ่กว่าหนึ่งไมโครเมตร เปอร์เซ็นต์ของอะตอมที่พื้นผิวจะไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับจำนวนอะตอมในวัสดุทั้งหมด สาขาย่อยนี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างเทียมของโลหะหรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยเทคนิคที่ใช้ในการผลิตวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์^{[ 2 ] [ 3 ]}

ไม่มีคำจำกัดความที่ตายตัวสำหรับฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิกแต่ระบบที่ศึกษาโดยทั่วไปจะมีขนาดอยู่ในช่วง 100  นาโนเมตร (ขนาดของไวรัส ทั่วไป ) ถึง 1,000  นาโนเมตร (ขนาดของแบคทีเรียทั่วไป) โดย 100 นาโนเมตรเป็นขีดจำกัดบนโดยประมาณสำหรับอนุภาคนาโนดังนั้น ฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิกจึงมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับสาขาการผลิตระดับนาโนและเทคโนโลยีนาโนอุปกรณ์ที่ใช้ในเทคโนโลยีนาโนเป็นตัวอย่างของระบบระดับเมโซสโคปิก ปรากฏการณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ใหม่สามประเภทในระบบดังกล่าว ได้แก่ ผลกระทบจากการรบกวน ผลกระทบจากการกักขังควอนตัม และผลกระทบจากการประจุ^{[ 2 ] [ 3 ]}

ในฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิก วัสดุจะมีขนาดอยู่ระหว่างระดับไมโครสโคปิกและระดับมหภาค ดังนั้น ลักษณะของการขนส่งอิเล็กตรอนจึงขึ้นอยู่กับระยะทางที่ตัวนำต้องเคลื่อนที่อย่างมาก (${\displaystyle L}$) เมื่อเปรียบเทียบกับระยะทางอิสระเฉลี่ย (${\displaystyle L_{m}}$) ของตัวนำประจุ

ในกรณีการแพร่กระจายซึ่ง${\displaystyle L\approx L_{m}}$และเมื่อตัวนำเกิดการกระเจิงหลายครั้ง การขนส่งจะถูกอธิบายโดยสมการการขนส่งแบบกึ่งคลาสสิกของโบลต์ซมันน์

ในทางตรงกันข้าม เมื่อ ${\displaystyle L<L_{m}}$การกระเจิงกลายเป็นสิ่งที่ไม่สำคัญ และระบบจะเข้าสู่การขนส่งแบบบัลลิสติกซึ่งทำงานแตกต่างจากการขนส่งแบบแพร่กระจายอย่างมาก ในที่นี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านวัสดุโดยไม่มีการชนกัน รักษาพลังงานและความสอดคล้องของเฟสไว้ได้ เนื่องจากเราสามารถพิจารณาอิเล็กตรอนเป็นคลื่นที่มีพลังงานไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ด้วยวิธีนี้ กลศาสตร์ควอนตัมจึงสามารถใช้เพื่ออธิบายว่าการขนส่งนี้เป็นอย่างไร^{[ 4 ]}ในระบอบนี้ ค่าการนำไฟฟ้าของลวดจะถูกควอนตัมในหน่วยของค่าการนำไฟฟ้าควอนตัม${\displaystyle 2e^{2}/h}$(ที่ไหน${\displaystyle e}$คือประจุพื้นฐานและ${\displaystyle h}$คือค่าคงที่ของพลังค์ ) ^{[ 4 ]}

ปรากฏการณ์ การกักขังเชิงควอนตัมอธิบายอิเล็กตรอนในแง่ของระดับพลังงานบ่อศักย์แถบวาเลนซ์แถบนำไฟฟ้าและช่องว่างพลังงานของอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนใน วัสดุ ไดอิเล็กทริก ขนาดใหญ่ (มากกว่า 10  นาโนเมตร) สามารถอธิบายได้ด้วยแถบพลังงานหรือระดับพลังงานของอิเล็กตรอนอิเล็กตรอนมีอยู่ในระดับพลังงานหรือแถบพลังงานที่แตกต่างกัน ในวัสดุขนาดใหญ่ ระดับพลังงานเหล่านี้จะถูกอธิบายว่าต่อเนื่องกันเนื่องจากความแตกต่างของพลังงานนั้นน้อยมาก เมื่ออิเล็กตรอนมีเสถียรภาพที่ระดับพลังงานต่างๆ ส่วนใหญ่จะสั่นในแถบวาเลนซ์ที่ต่ำกว่าระดับพลังงานต้องห้าม ซึ่งเรียกว่าช่องว่างแถบ พลังงาน บริเวณนี้เป็นช่วงพลังงานที่ไม่มีสถานะของอิเล็กตรอนอยู่ อิเล็กตรอนจำนวนน้อยกว่าจะมีระดับพลังงานอยู่เหนือช่องว่างแถบพลังงานต้องห้าม และนี่คือแถบนำไฟฟ้า

ผลกระทบของการกักกันควอนตัมสามารถสังเกตได้เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคมีขนาดเท่ากับความยาวคลื่น ของ ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอน^{[ 5 ]}เมื่อวัสดุมีขนาดเล็กเช่นนี้ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงจะเบี่ยงเบนไปจากคุณสมบัติของวัสดุขนาดใหญ่มาก^{[ 6 ]} เมื่อวัสดุถูกย่อขนาดลงไปสู่ระดับนาโน มิติการกักกันจะลดลงตามธรรมชาติ คุณลักษณะจะไม่ถูกเฉลี่ยโดยวัสดุขนาดใหญ่และต่อเนื่องอีกต่อไป แต่จะอยู่ในระดับควอนตัมและเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง กล่าวอีกนัยหนึ่งสเปกตรัม พลังงาน จะกลายเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง วัดเป็นควอนตัม แทนที่จะต่อเนื่องเหมือนในวัสดุขนาดใหญ่ ผลที่ได้คือช่องว่าง ของ แถบพลังงานจะปรากฏขึ้น: มีการแยกเล็กน้อยและจำกัดระหว่างระดับพลังงาน สถานการณ์ของระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องนี้เรียกว่าการกักกันควอนตัม

นอกจากนี้ ผลกระทบของการกักกันควอนตัมยังประกอบด้วยเกาะอิเล็กตรอนที่แยกตัวออกมา ซึ่งอาจก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานที่มีลวดลายระหว่างวัสดุกึ่งตัวนำสองชนิดที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปอิเล็กตรอนจะถูกกักไว้ในบริเวณรูปทรงแผ่นดิสก์ที่เรียกว่าควอนตัมดอตการกักกันอิเล็กตรอนในระบบเหล่านี้จะเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น^{[ 7 ] [ 8 ]}

เนื่องจากระดับพลังงานอิเล็กตรอนของควอนตัมดอตเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง ไม่ใช่แบบต่อเนื่อง การเพิ่มหรือลดอะตอมเพียงไม่กี่อะตอมในควอนตัมดอตจึงมีผลทำให้ขอบเขตของช่องว่างพลังงานเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวของควอนตัมดอตยังทำให้พลังงานช่องว่างพลังงานเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นผลมาจากขนาดที่เล็กของดอตและผลของการกักขังควอนตัม^{[ 7 ]}

ในระดับเมโซสโคปิก การกระเจิงจากข้อบกพร่อง เช่น สิ่งเจือปน จะเหนี่ยวนำให้เกิดปรากฏการณ์การรบกวนซึ่งปรับเปลี่ยนการไหลของอิเล็กตรอน สัญญาณบ่งชี้เชิงทดลองของปรากฏการณ์การรบกวนในระดับเมโซสโคปิกคือการปรากฏของความผันผวนที่สามารถทำซ้ำได้ในปริมาณทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น ค่าการนำไฟฟ้าของชิ้นงานที่กำหนดจะแกว่งไปมาอย่างดูเหมือนสุ่มตามความผันผวนของพารามิเตอร์การทดลอง อย่างไรก็ตาม รูปแบบเดียวกันนี้สามารถเกิดขึ้นซ้ำได้หากพารามิเตอร์การทดลองถูกวนกลับไปที่ค่าเดิม อันที่จริง รูปแบบที่สังเกตได้นั้นสามารถทำซ้ำได้ในช่วงเวลาหลายวัน สิ่งเหล่านี้เรียกว่าความผันผวนของค่าการนำไฟฟ้าแบบสากล

การทดลองแบบกำหนดเวลาในพลวัตระดับเมโซสโคปิก: การสังเกตและการศึกษาพลวัตของเฟสควบแน่น ในระดับนาโน เช่น การก่อตัวของรอยแตกในของแข็ง การแยกเฟส และความผันผวนอย่างรวดเร็วในสถานะของเหลวหรือในสภาพแวดล้อมที่เกี่ยวข้องทางชีววิทยา และการสังเกตและการศึกษาพลวัตที่รวดเร็วมากของวัสดุที่ไม่มีผลึกในระดับนาโน^{[ 9 ] [ 10 ]}

• บีนักเกอร์, คาร์โล (1995) "ความโกลาหลในควอนตัมบิลเลียด" (PDF ) มหาวิทยาลัยไลเดน . สืบค้นเมื่อ14 มิถุนายน 2561 .
• Harmans, C. (2003). "ฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิก: บทนำ" (PDF) . OpenCourseWare TU Delft . สืบค้นเมื่อ14 มิถุนายน 2018 .
• จาลาเบิร์ต, โรดอลโฟ เอ. (2016) “การขนส่งแบบ mesoscopic และความสับสนวุ่นวายควอนตัม ” สกอลาร์พีเดีย . 11 (1) 30946. arXiv : 1601.02237 . Bibcode : 2016ShpJ..1130946J . ดอย : 10.4249/scholarpedia.30946 . S2CID26633032 .​