Kvantinis tunelis. Kvantinio tuneliavimo procesas

TUNELIO EFEKTAS

(tuneliavimas), potencialo barjero įveikimas mikrodalele tuo atveju, kai jos bendras kiekis (daugiausia nepakitęs ties T.E.) yra mažesnis už barjero aukštį. Tai yra, reiškinys iš esmės yra kvantinis. gamta, neįmanoma klasikinėje. mechanika; analogas T. e. bangomis optika gali pasitarnauti šviesos prasiskverbimu į atspindinčiąją terpę (šviesos bangos ilgio eilės atstumu) tokiomis sąlygomis, kai geom. vyksta optika. T. e. pogrindžio daugiskaita svarbūs procesai. ir jie sako fizika, fizikoje at. šerdys, televizorius kūnai ir kt.

T. e. aiškinamas remiantis (žr. KVANTINĖ MECHANIKA). Klasika ch-tsa negali būti potencialo viduje. barjero aukštis V, jei jo energija? impulsas p – įsivaizduojamas dydis (m – h-tsy). Tačiau dėl mikrodalelės ši išvada yra neteisinga: dėl neapibrėžtumo ryšio dalelė yra fiksuota erdvėje. kliūties viduje esantis plotas daro neaiškų jo judėjimą. Todėl yra ne nulinė tikimybė aptikti mikrodalelę dalelės viduje, kuri yra draudžiama klasikiniu požiūriu. mechanikos sritis. Atitinkamai atsiranda apibrėžimas. tikimybė pereiti per potencialą. barjerą, kuris atitinka T. e. Ši tikimybė didesnė, kuo mažesnė medžiagos masė, tuo siauresnis potencialas. barjero ir tuo mažiau energijos trūksta norint pasiekti barjero aukštį (tuo mažesnis skirtumas V-?). Tikimybė praeiti pro užtvarą – Ch. veiksnys, lemiantis fizinį charakteristikos T. e. Vienmačio potencialo atveju. tokia barjero charakteristika yra koeficientas. barjero skaidrumas, lygus per jį praeinančių dalelių srauto ir ant barjero krentančio srauto santykiui. Jei yra trimatis barjeras, ribojantis uždarą gamybos sritį nuo apatinės. potencialą energijos (potencialų šulinį), t.y. apibūdinama tikimybe w individui palikti šią sritį vienetais. laikas; w reikšmė lygi svyravimų potencialo viduje dažnio sandaugai. duobes apie tikimybę praeiti pro barjerą. Galimybė „nutekėti“ iš arbatos, kuri iš pradžių buvo potenciali. na, veda prie to, kad atitinkamos dalelės įgyja baigtinį ћw eilės plotį, o pačios tampa beveik stacionarios.

T. e. pasireiškimo pavyzdys. į. fizika gali tarnauti atomams stiprioje elektroje. ir atomo jonizacija stipriame elektromagnetiniame lauke. bangos. T. e. yra radioaktyviųjų branduolių alfa skilimo pagrindas. Be T. e. būtų neįmanoma įvykti termobranduolinėms reakcijoms: Kulono potencialas. barjeras, neleidžiantis suartėti reaguojančių branduolių, būtinų sintezei, yra įveikiamas iš dalies dėl tokių branduolių didelio greičio (aukštos temperatūros), iš dalies dėl šiluminės energijos. Ypač daug T. e. pasireiškimo pavyzdžių. fizikos televizijoje. kūnai: lauko emisija, reiškiniai kontaktiniame sluoksnyje ties dviejų PP riba, Džozefsono efektas ir kt.

Fizinis enciklopedinis žodynas. - M.: Tarybinė enciklopedija. . 1983 .

TUNELIO EFEKTAS

(tuneliavimas) - sistemos per judėjimo sritį, kurią draudžia klasika mechanika. Tipiškas tokio proceso pavyzdys yra dalelės praėjimas potencialus barjeras kai jos energija mažesnis už barjero aukštį. Dalelių impulsas ršiuo atveju nustatoma iš santykio Kur U(x)- potencialą dalelių energija ( T - masė), būtų barjero viduje, įsivaizduojamas dydis. IN kvantinė mechanika dėka neapibrėžtumo santykiai tarp impulso ir koordinatės pobarjeras pasirodo įmanomas. Dalelės banginė funkcija šioje srityje mažėja eksponentiškai, o kvaziklasikiškai atvejis (žr Pusiau klasikinis aproksimacija)jo amplitudė išėjimo iš po užtvaros taške nedidelė.

Viena iš problemų formuluočių apie potencialo perėjimą. barjeras atitinka atvejį, kai ant barjero krenta stacionarus dalelių srautas ir reikia rasti perduodamo srauto reikšmę. Tokioms problemoms spręsti įvedamas koeficientas. barjero skaidrumas (tunelio perėjimo koeficientas) D, lygus perduodamų ir krintančių srautų intensyvumo santykiui. Iš laiko grįžtamumo išplaukia, kad koeficientas. Skaidrės, skirtos perėjimui „pirmyn“ ir atgal, yra vienodos. Vienmačiu atveju koeficientas. skaidrumas gali būti parašytas kaip

integracija vykdoma klasikiniu požiūriu neprieinamame regione, X 1,2 - posūkio taškai, nustatyti pagal sąlygą Posūkio taškuose klasikinėje riboje. mechanika, dalelės impulsas tampa lygus nuliui. Koef. D 0 apibrėžimui reikalingas tikslus kvantinės mechanikos sprendimas. užduotis.

Jeigu tenkinama kvaziklasikiškumo sąlyga

per visą užtvaros ilgį, išskyrus tiesioginę posūkio taškų apylinkės x 1,2 . koeficientas D 0 šiek tiek skiriasi nuo vieno. Būtybės skirtumas D 0 nuo vieneto gali būti, pavyzdžiui, tais atvejais, kai potencialo kreivė. energija iš vienos barjero pusės eina taip smarkiai, kad beveik klasikinė ten netaikoma arba kai energija artima barjero aukščiui (t. y. eksponento išraiška maža). Skirtas stačiakampio barjero aukščiui U o ir plotis A koeficientas skaidrumą lemia byla
Kur

Užtvaros pagrindas atitinka nulinę energiją. Kvaziklasikoje atveju D mažas, palyginti su vienybe.

Dr. Dalelės praėjimo per barjerą problemos formuluotė yra tokia. Tegul dalelė pradžioje laiko momentas yra būsenoje, artimoje vadinamajam. stacionarios būsenos, kuri atsitiktų su nepraeinamu barjeru (pavyzdžiui, kai kliūtis pakelta nuo potencialus šulinysį aukštį, didesnį už skleidžiamos dalelės energiją). Ši būsena vadinama beveik stacionarus. Panašiai kaip stacionariose būsenose, dalelės banginės funkcijos priklausomybę nuo laiko šiuo atveju parodo koeficientas Sudėtingas kiekis čia pasirodo kaip energija E, menamoji dalis nustato kvazistacionarios būsenos nykimo tikimybę per laiko vienetą dėl T. e.:

Kvaziklasikoje Artėjant prie f-loy (3) nurodytoje tikimybėje yra eksponentinis. to paties tipo koeficientas kaip in-f-le (1). Sferiškai simetriško potencialo atveju. barjeras – tai beveik stacionarios būsenos nykimo iš orbitų tikimybė. kvantinis skaičius l nustato f-loy

Čia r 1,2 yra radialiniai posūkio taškai, kurių integrandas lygus nuliui. veiksnys w 0 priklauso nuo judėjimo pobūdžio, pavyzdžiui, klasikinėje leistinoje potencialo dalyje. jis yra proporcingas. klasika dalelių svyravimų tarp barjero sienelių dažnis.

T. e. leidžia suprasti sunkiųjų branduolių a-skilimo mechanizmą. Tarp dalelės ir dukterinio branduolio yra elektrostatinė jėga. atstūmimas nustatomas pagal f-loy Mažais atstumais pagal dydį A branduoliai tokie, kad eff. gali būti laikomas neigiamu: Dėl to tikimybė A-skilimą suteikia santykis

Čia yra skleidžiamos a-dalelės energija.

T. e. nustato termobranduolinių reakcijų, vykstančių Saulėje ir žvaigždėse, galimybę dešimčių ir šimtų milijonų laipsnių temperatūroje (žr. Žvaigždžių evoliucija), taip pat antžeminėmis sąlygomis termobranduolinių sprogimų arba CTS pavidalu.

Simetriškame potenciale, susidedančiame iš dviejų identiškų šulinių, atskirtų silpnai pralaidžiu barjeru, t.y. veda prie būsenų trukdžių šuliniuose, o tai lemia silpną dvigubą atskirų energijos lygių padalijimą (vadinamasis inversinis padalijimas; žr. Molekuliniai spektrai). Be galo periodiškam skylių rinkiniui erdvėje kiekvienas lygis virsta energijų zona. Tai siaurų elektronų energijų susidarymo mechanizmas. zonos kristaluose su stipriu elektronų ryšiu su gardelės vietomis.

Jeigu puslaidininkinį kristalą veikia elektros srovė. lauke, tada leidžiamų elektronų energijų zonos erdvėje pasidaro pasvirusios. Taigi, pašto lygis elektronų energija kerta visas zonas. Esant tokioms sąlygoms, tampa įmanomas elektrono perėjimas iš vieno energijos lygio. zonos į kitą dėl T. e. Klasikiškai neprieinama sritis yra uždraustų energijų zona. Šis reiškinys vadinamas. Zenerio gedimas. Kvaziklasikinis aproksimacija čia atitinka nedidelę elektros intensyvumo reikšmę. laukus. Šioje riboje iš esmės nustatoma Zenerio gedimo tikimybė. eksponentinis, pjūvio rodiklyje yra didelis neigiamas. reikšmė, proporcinga draudžiamos energijos pločio santykiui. zoną į energiją, kurią elektronas įgyja taikomame lauke atstumu, lygiu vienetinės ląstelės dydžiui.

Panašus efektas atsiranda tuneliniai diodai, kuriose zonos yra pasvirusios dėl puslaidininkių p- Ir n-įrašykite abiejose jų kontakto ribos pusėse. Tuneliavimas atsiranda dėl to, kad zonoje, į kurią eina krūvininkas, yra ribotas neužimtų būsenų kiekis.

Ačiū T. e. galimas elektrinis tarp dviejų metalų, atskirtų plonu dielektriku. pertvara. Tai gali būti ir normalios, ir superlaidžios būsenos. Pastaruoju atveju gali būti Josephsono efektas.

T. e. Tokie reiškiniai, atsirandantys stipriose elektros srovėse, yra dėl. laukai, tokie kaip atomų autojonizacija (žr Lauko jonizacija) Ir automatinės elektroninės emisijos iš metalų. Abiem atvejais elektrinis laukas sudaro baigtinio skaidrumo barjerą. Kuo stipresnis elektrinis laukas, tuo skaidresnis barjeras ir stipresnė elektronų srovė iš metalo. Remiantis šiuo principu skenuojantis tunelinis mikroskopas - prietaisas, matuojantis tunelio srovę iš skirtingų tiriamo paviršiaus taškų ir teikiantis informaciją apie jos nevienalytiškumo pobūdį.

T. e. įmanoma ne tik kvantinėse sistemose, susidedančiose iš vienos dalelės. Taigi, pavyzdžiui, dislokacijų judėjimas žemoje temperatūroje kristaluose gali būti siejamas su paskutinės dalies, susidedančios iš daugelio dalelių, tuneliu. Esant tokio pobūdžio problemoms, linijinis išnirimas gali būti pavaizduotas kaip elastinga styga, iš pradžių gulinti išilgai ašies adresu viename iš vietinių potencialo minimumų V(x, y).Šis potencialas nepriklauso nuo y, o jo reljefas išilgai ašies X yra vietinių minimumų seka, kurių kiekvienas yra mažesnis už kitą tam tikru dydžiu, kuris priklauso nuo kristalui veikiančios mechaninės jėgos. įtampa. Dislokacijos judėjimas, veikiamas šio įtempio, yra sumažinamas iki tuneliavimo į gretimą apibrėžtą minimumą. dislokacijos segmentas su vėlesniu jo likusios dalies traukimu ten. To paties tipo tunelio mechanizmas gali būti atsakingas už judėjimą krūvio tankio bangos Peierls dielektrikoje (žr Peierlso perėjimas).

Tokių daugiamačių kvantinių sistemų tuneliavimo efektams apskaičiuoti patogu naudoti pusiau klasikinius metodus. banginės funkcijos vaizdavimas formoje Kur S- klasika sistemos. Dėl T. e. menama dalis yra reikšminga S, nustatantis banginės funkcijos slopinimą klasikiniu būdu neprieinamoje srityje. Jai apskaičiuoti naudojamas sudėtingų trajektorijų metodas.

Kvantinės dalelės įveikimo potencialas. barjerą galima prijungti prie termostato. Klasikoje Mechaniškai tai atitinka judesį su trintimi. Taigi, norint apibūdinti tuneliavimą, būtina naudoti teoriją, vadinamą disipacinė kvantinė mechanika. Tokio pobūdžio samprotavimai turi būti naudojami siekiant paaiškinti dabartinių Josephsono kontaktų būsenų baigtinį gyvenimą. Tokiu atveju atsiranda tuneliavimas. kvantinė dalelė per barjerą, o termostato vaidmenį atlieka elektronai.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Quantum, 4th ed., M., 1989; Ziman J., Kietojo kūno teorijos principai, vert. iš anglų k., 2 leidimas, M., 1974; Baz A. I., Zeldovich Ya B., Perelomov A. M., Sklaida, reakcijos ir skilimas nereliatyvistinėje kvantinėje mechanikoje, 2 leidimas, M., 1971; Tunelio reiškiniai kietose medžiagose, vert. iš anglų k., M., 1973; Likharev K.K., Įvadas į Josephsono sandūrų dinamiką, M., 1985 m. B. I. Ivlevas.

Fizinė enciklopedija. 5 tomuose. - M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1988 .

Pažiūrėkite, kas yra „TUNELIO EFEKTAS“ kituose žodynuose:

Šiuolaikinė enciklopedija

Mikrodalelės, kurios energija mažesnė už barjero aukštį, perėjimas per potencialų barjerą; kvantinis efektas, aiškiai paaiškinamas dalelės momento (ir energijos) plitimu barjerinėje srityje (žr. Neapibrėžtumo principą). Dėl tunelio ...... Didysis enciklopedinis žodynas

Tunelio efektas- TUNELIO EFEKTAS – mikrodalelės, kurios energija mažesnė už barjero aukštį, praėjimas per potencialų barjerą; kvantinis efektas, aiškiai paaiškinamas dalelės momento (ir energijos) plitimu barjerinėje srityje (dėl principo neapibrėžtumo) ... Iliustruotas enciklopedinis žodynas

tunelio efektas- - [Ja.N.Luginskis, M.S.Fezi Žilinskaja, Ju.S.Kabirovas. Anglų-rusų elektros inžinerijos ir energetikos žodynas, Maskva, 1999] Elektros inžinerijos temos, pagrindinės sąvokos EN tunelio efektas ... Techninis vertėjo vadovas

TUNELIO EFEKTAS- (tuneliavimas) kvantinis mechaninis reiškinys, kurį sudaro potencialaus potencialo (žr.) įveikimas mikrodalele, kai jos bendra energija yra mažesnė už barjero aukštį. T. e. atsiranda dėl mikrodalelių banginių savybių ir įtakoja termobranduolinio... ... Didžioji politechnikos enciklopedija

Kvantinė mechanika ... Vikipedija

Tunelio efektas yra nuostabus reiškinys, visiškai neįmanomas klasikinės fizikos požiūriu. Tačiau paslaptingame ir paslaptingame kvantiniame pasaulyje veikia kiek kitokie materijos ir energijos sąveikos dėsniai. Tunelio efektas – tai tam tikro potencialo barjero įveikimo procesas, su sąlyga, kad jo energija yra mažesnė už barjero aukštį. Šis reiškinys yra išskirtinai kvantinės prigimties ir visiškai prieštarauja visiems klasikinės mechanikos dėsniams ir dogmoms. Kuo nuostabesnis yra pasaulis, kuriame gyvename.

Geriausias būdas suprasti, koks yra kvantinio tunelio efektas, yra pasinaudoti golfo kamuoliuko, įmesto į duobutę, pavyzdžiu su tam tikra jėga. Bet kuriuo laiko vienetu bendra rutulio energija prieštarauja potencialiai gravitacijos jėgai. Jei darysime prielaidą, kad ji yra mažesnė už gravitacijos jėgą, tada nurodytas objektas negalės pats išeiti iš skylės. Bet tai atitinka klasikinės fizikos dėsnius. Norint įveikti skylės kraštą ir tęsti savo kelią, jai tikrai prireiks papildomo kinetinio impulso. Taip pasakė didysis Niutonas.

Kvantiniame pasaulyje viskas yra kiek kitaip. Dabar tarkime, kad skylėje yra kvantinė dalelė. Šiuo atveju mes nebekalbėsime apie tikrą fizinę depresiją žemėje, o apie tai, ką fizikai paprastai vadina „potencialia skyle“. Tokia vertė turi ir fizinės pusės analogą – energetinį barjerą. Čia situacija keičiasi radikaliausiai. Kad įvyktų vadinamasis kvantinis perėjimas ir dalelė atsirastų už barjero, būtina dar viena sąlyga.

Jei išorinio energijos lauko stiprumas yra mažesnis nei dalelės, tada jis turi realią galimybę, nepaisant jos aukščio. Net jei ji neturi pakankamai kinetinės energijos suprantant Niutono fiziką. Tai tas pats tunelio efektas. Tai veikia taip. Būdinga bet kurią dalelę apibūdinti ne naudojant jokius fizinius dydžius, o per banginę funkciją, susijusią su tikimybe, kad dalelė atsidurs tam tikrame erdvės taške kiekvienu konkrečiu laiko vienetu.

Kai dalelė susiduria su tam tikru barjeru, naudodamiesi Schrödingerio lygtimi, galite apskaičiuoti tikimybę įveikti šį barjerą. Kadangi barjeras ne tik sugeria energiją, bet ir eksponentiškai ją užgesina. Kitaip tariant, kvantiniame pasaulyje nėra neįveikiamų kliūčių, o tik papildomos sąlygos, kurioms esant dalelė gali atsidurti už šių barjerų. Įvairios kliūtys, žinoma, trukdo dalelėms judėti, tačiau jokiu būdu nėra tvirtos, neperžengiamos ribos. Tradiciškai kalbant, tai savotiška riba tarp dviejų pasaulių – fizinio ir energetinio.

Tunelio efektas turi savo analogą branduolinėje fizikoje – atomo autojonizaciją galingame elektriniame lauke. Kietojo kūno fizikoje taip pat gausu tuneliavimo apraiškų pavyzdžių. Tai apima lauko emisiją, migraciją, taip pat efektus, atsirandančius kontaktuojant dviem superlaidininkams, atskirtiems plona dielektrine plėvele. Tuneliavimas atlieka išskirtinį vaidmenį įgyvendinant daugybę cheminių procesų žemos ir kriogeninės temperatūros sąlygomis.

TUNELIO EFEKTAS, kvantinis efektas, susidedantis iš kvantinės dalelės prasiskverbimo per erdvės sritį, į kurią pagal klasikinius fizika, dalelę rasti draudžiama. Klasika

dalelė, kurios bendra energija E ir potencialas. laukas gali būti tik tuose erdvės regionuose, kuriuose jo bendra energija neviršija potencialo. sąveikos su lauku energija U. Kadangi kvantinės dalelės banginė funkcija visoje erdvėje nėra lygi nuliui, o tikimybę rasti dalelę tam tikrame erdvės regione suteikia banginės funkcijos modulio kvadratas, tai draudžiama (klasikinės mechanikos požiūriu). ) regionuose bangos funkcija nėra lygi nuliui. Tunelio efektą patogu iliustruoti naudojant vienmatės dalelės potencialo lauke U(x) modelio uždavinį (x – dalelės koordinatė). Esant simetriškam dvigubo šulinio potencialui (a pav.), bangos funkcija turi „tilpti“ šulinėlių viduje, t.y., tai stovi banga. Diskretūs energijos šaltiniai lygiai, esantys žemiau užtvaros, skiriančios potencialo minimumus, sudaro glaudžiai išdėstytus (beveik išsigimusius) lygius. Energijos skirtumas lygiai, komponentai, vadinami. tunelio padalijimas, šis skirtumas atsiranda dėl to, kad tikslus uždavinio sprendimas (banginė funkcija) kiekvienam iš atvejų yra lokalizuotas abiejuose potencialo minimumuose ir visi tikslūs sprendimai atitinka neišsigimusius lygius (žr.). Tunelio efekto tikimybę lemia bangos paketo perdavimo per barjerą koeficientas, kuris apibūdina dalelės, lokalizuotos viename iš potencialų minimumų, nestacionarią būseną.

Potencialios kreivės dalelės energija U (x) tuo atveju, kai ją veikia traukos jėga (a - dvi potencialo duobutės, b - viena potencialo duobė), ir tuo atveju, kai dalelę veikia atstūmimo jėga (atstūmimo potencialas, c). E – bendra dalelės energija, x – koordinatė. Plonos linijos vaizduoja bangų funkcijas.

Potencialiame laukas su vienu vietiniu minimumu (b pav.) dalelei, kurios energija E didesnė už sąveikos potencialą esant c =, diskrečioji energija. būsenų nėra, tačiau yra aibė kvazistacionarių būsenų, kuriose yra susijusi didžioji. tikimybė rasti dalelę netoli minimumo.

Bangų paketai, atitinkantys tokias kvazistacionarias būsenas, apibūdina metastabilius; bangų paketai išsiskleidžia ir išnyksta dėl tunelio efekto. Šioms būsenoms būdingas jų gyvavimo laikas (skilimo tikimybė) ir energijos plotis. lygiu.

Naib. svarbūs tunelio efektui pasireikšti: 1) diskrečiųjų svyravimų tunelinis skaidymas, sukimasis. ir elektroninis-co-lebat.

lygius. Virpesių skaidymas. sutampa su keliais. lygiavertės pusiausvyros branduolinės konfigūracijos yra inversijos dvigubinimas (tipo atžvilgiu), lygių padalijimas į slopintą vidinį. rotacija ( , ) arba in , kuriai intra-mol. pertvarkymai, lemiantys lygiavertes pusiausvyros konfigūracijas (pvz., PF 5).

Jei skiriasi lygiaverčiai minimumai nėra atskirti potencialu. kliūtis (pavyzdžiui, pusiausvyros konfigūracijos dešiniarankiams ir kairiarankiams kompleksams), tada tinkamas tikrų prieplaukų aprašymas. sistemos pasiekiamos naudojant lokalizuotus bangų paketus. Šiuo atveju stacionarios būsenos, lokalizuotos dviejuose minimumuose, yra nestabilios: veikiant labai mažiems trikdžiams, galimas dviejų būsenų, lokalizuotų viename ar kitame minimume, susidarymas.

Kvazi-degeneruotų grupių skilimas sukasi. būsenos (vadinamieji sukimosi klasteriai) taip pat yra dėl molio tuneliavimo. sistemos tarp kelių rajonų. lygiavertės stacionarios sukimosi ašys. Elektronų virpesių skaidymas. (vibroninės) būsenos atsiranda esant stipriam Jahn-Teller efektui. Tunelio padalijimas taip pat siejamas su juostomis, kurias sudaro atskirų ar molekulinių būsenų elektroninės būsenos. fragmentai periodiškai struktūra.

Įsivaizduokite, kad rutulys rieda žemėje iškastoje sferinėje skylėje. Bet kuriuo momentu rutulio energija pasiskirsto tarp jo kinetinės energijos ir potencialios gravitacijos energijos proporcingai priklausomai nuo to, kiek aukštyje rutulys yra skylės dugno atžvilgiu (pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį). Kai kamuolys pasiekia duobės kraštą, galimi du scenarijai. Jei jo bendra energija viršys gravitacinio lauko potencialią energiją, nulemtą pagal rutulio vietos aukštį, jis iššoks iš skylės. Jei rutulio bendra energija yra mažesnė už potencialią gravitacijos energiją skylės krašto lygyje, rutulys riedės žemyn, atgal į skylę, priešingos pusės link; tuo momentu, kai potenciali energija lygi bendrai rutulio energijai, jis sustos ir riedės atgal. Antruoju atveju kamuolys niekada neišriedės iš skylės, nebent jam bus suteikta papildoma kinetinė energija – pavyzdžiui, stumiant. Remiantis Niutono mechanikos dėsniais, rutulys niekada neišeis iš skylės nesuteikdamas jai papildomo impulso, jei jam neužtenka savo energijos, kad jis išvirstų už borto.

Dabar įsivaizduokite, kad duobės šonai pakyla virš žemės paviršiaus (kaip Mėnulio krateriai). Jei kamuoliukas sugebės nukristi per pakeltą tokios skylės kraštą, jis riedės toliau. Svarbu atsiminti, kad niutoniškame rutulio ir duobutės pasaulyje tai, kad rutulys toliau riedės per duobės kraštą, neturi reikšmės, jei kamuoliukas neturi pakankamai kinetinės energijos pasiekti viršutinį kraštą. Jei nepasiekia krašto, jis tiesiog neišlips iš skylės ir atitinkamai jokiomis sąlygomis, bet kokiu greičiu ir niekur toliau nenuriedės, kad ir kokiame aukštyje virš paviršiaus būtų už borto krašto.

Kvantinės mechanikos pasaulyje viskas yra kitaip. Įsivaizduokime, kad tokioje skylėje yra kvantinė dalelė. Šiuo atveju kalbame jau ne apie tikrą fizinę skylę, o apie sąlyginę situaciją, kai dalelei reikalingas tam tikras energijos tiekimas, būtinas norint įveikti barjerą, neleidžiantį jai išsiveržti iš to, ką fizikai sutiko vadinti. "potenciali skylė". Ši duobė turi ir energetinį šono analogą – vadinamąjį "potencialus barjeras". Taigi, jei už potencialo barjero energijos lauko intensyvumo lygis yra mažesnis už dalelės turimą energiją, ji turi galimybę būti „už borto“, net jei šios dalelės tikrosios kinetinės energijos „peržengti“ nepakanka. lentos kraštas Niutono prasme . Šis dalelės, praeinančios per potencialų barjerą, mechanizmas vadinamas kvantinio tunelio efektu.

Tai veikia taip: kvantinėje mechanikoje dalelė aprašoma per banginę funkciją, kuri yra susijusi su tikimybe, kad dalelė tam tikru laiko momentu atsidurs tam tikroje vietoje. Jei dalelė susiduria su potencialo barjeru, Schrödingerio lygtis leidžia apskaičiuoti tikimybę, kad dalelė prasiskverbs pro ją, nes bangos funkcija ne tik energetiškai sugeria barjerą, bet ir užgęsta labai greitai – eksponentiškai. Kitaip tariant, potencialus barjeras kvantinės mechanikos pasaulyje yra neryškus. Tai, žinoma, neleidžia dalelei judėti, bet nėra tvirta, neperžengiama riba, kaip yra klasikinėje Niutono mechanikoje.

Jei barjeras pakankamai žemas arba bendra dalelės energija yra arti slenksčio, banginė funkcija, nors ir sparčiai mažėja dalelei artėjant prie barjero krašto, palieka galimybę ją įveikti. Tai yra, yra tam tikra tikimybė, kad dalelė bus aptikta kitoje potencialo barjero pusėje – Niutono mechanikos pasaulyje tai būtų neįmanoma. Ir kai dalelė peržengs barjero kraštą (tegul ji turi Mėnulio kraterio formą), ji laisvai riedės savo išoriniu šlaitu toliau nuo skylės, iš kurios ji išlindo.

Kvantinio tunelio sandūrą galima įsivaizduoti kaip dalelės „nutekėjimą“ arba „perkoliaciją“ per potencialų barjerą, po kurio dalelė nutolsta nuo barjero. Gamtoje ir šiuolaikinėse technologijose yra daugybė tokio pobūdžio reiškinių pavyzdžių. Paimkime tipišką radioaktyvų skilimą: sunkusis branduolys išskiria alfa dalelę, susidedančią iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Viena vertus, šį procesą galima įsivaizduoti taip, kad sunkusis branduolys per intrabranduolines surišimo jėgas laiko savyje alfa dalelę, kaip mūsų pavyzdyje rutulys buvo laikomas skylėje. Tačiau net jei alfa dalelė neturi pakankamai laisvos energijos, kad įveiktų intrabranduolinių ryšių barjerą, vis tiek yra galimybė ją atskirti nuo branduolio. O stebint spontanišką alfa emisiją gauname eksperimentinį tunelio efekto tikrovės patvirtinimą.

Kitas svarbus tunelio efekto pavyzdys yra termobranduolinės sintezės procesas, kuris maitina žvaigždes (žr. „Žvaigždžių evoliucija“). Viena iš termobranduolinės sintezės stadijų yra dviejų deuterio branduolių (po vieną protoną ir vieną neutroną) susidūrimas, dėl kurio susidaro helio-3 branduolys (du protonai ir vienas neutronas) ir vienas neutronas. Pagal Kulono dėsnį, tarp dviejų dalelių, turinčių tą patį krūvį (šiuo atveju protonų, kurie yra deuterio branduolių dalis), yra galinga abipusio atstūmimo jėga – tai yra, yra galinga potencialo barjera. Niutono pasaulyje deuterio branduoliai tiesiog negalėjo pakankamai priartėti, kad susintetintų helio branduolį. Tačiau žvaigždžių gelmėse temperatūra ir slėgis yra tokie aukšti, kad branduolių energija artėja prie jų susiliejimo slenksčio (mūsų prasme branduoliai yra beveik prie barjero krašto), dėl ko pradeda veikti tunelio efektas, įvyksta termobranduolinė sintezė – ir žvaigždės šviečia.

Galiausiai, tunelio efektas jau naudojamas praktikoje elektroninio mikroskopo technologijoje. Šio įrankio veikimas pagrįstas tuo, kad metalinis zondo antgalis priartėja prie tiriamo paviršiaus itin nedideliu atstumu. Šiuo atveju potencialo barjeras neleidžia elektronams iš metalo atomų tekėti į tiriamą paviršių. Perkeliant zondą itin artimu atstumu išilgai tiriamo paviršiaus, atrodo, kad jis juda atomas po atomo. Kai zondas yra arti atomų, barjeras yra žemesnis nei tada, kai zondas praeina tarp jų. Atitinkamai, kai prietaisas „čiumpa“ atomą, srovė didėja dėl padidėjusio elektronų nutekėjimo dėl tunelinio efekto, o tarpuose tarp atomų srovė mažėja. Tai leidžia išsamiai ištirti paviršių atomines struktūras, pažodžiui jas „sužymėti“. Beje, elektroniniai mikroskopai suteikia galutinį materijos sandaros atominės teorijos patvirtinimą.

Ar gali kamuolys praskrieti per sieną taip, kad sienelė liktų nepažeista, o kamuoliuko energija nepasikeistų? Žinoma, ne, sako pats atsakymas, gyvenime taip nebūna. Kad kamuolys praskristų per sieną, jis turi turėti pakankamai energijos, kad galėtų ją prasibrauti. Lygiai taip pat, jei norite, kad įduboje esantis rutulys apvirstų per kalvą, turite aprūpinti jį energijos tiekimu, kurio pakaktų įveikti potencialų barjerą – rutulio potencialių energijų skirtumą viršuje ir viduje. tuščiaviduris. Kūnai, kurių judėjimą apibūdina klasikinės mechanikos dėsniai, potencialų barjerą įveikia tik tada, kai jų bendra energija yra didesnė už maksimalią potencialią energiją.

Kaip viskas vyksta mikrokosmose? Mikrodalelės paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams. Jie nejuda tam tikromis trajektorijomis, o tarsi banga „ištepti“ erdvėje. Šios mikrodalelių banginės savybės sukelia netikėtus reiškinius, o tarp jų bene labiausiai stebina tunelio efektas.

Pasirodo, mikrokosme „siena“ gali likti vietoje, o elektronas per ją praskrenda taip, lyg nieko nebūtų nutikę.

Mikrodalelės įveikia potencialų barjerą, net jei jų energija yra mažesnė už jos aukštį.

Potencialų barjerą mikrokosmose dažnai sukuria elektrinės jėgos, ir su šiuo reiškiniu pirmą kartą buvo susidurta, kai atomų branduoliai buvo apšvitinti įkrautomis dalelėmis. Teigiamai įkrautai dalelei, tokiai kaip protonas, nepalanku artėti prie branduolio, nes pagal dėsnį tarp protono ir branduolio veikia atstumiančios jėgos. Todėl, norint priartinti protoną prie branduolio, reikia dirbti; Potencialios energijos grafikas atrodo taip, kaip parodyta Fig. 1. Tiesa, pakanka protonui priartėti prie branduolio (cm atstumu), ir tuoj pat įsijungia galingos branduolinės traukos jėgos (stipri sąveika) ir jį pagauna branduolys. Bet pirmiausia turite priartėti, įveikti galimą barjerą.

Ir paaiškėjo, kad protonas gali tai padaryti, net kai jo energija E yra mažesnė už barjero aukštį. Kaip visada kvantinėje mechanikoje, neįmanoma tiksliai pasakyti, kad protonas prasiskverbs į branduolį. Tačiau yra tam tikra tikimybė, kad toks potencialaus barjero tunelis praeis. Ši tikimybė yra didesnė, kuo mažesnis energijos skirtumas ir tuo mažesnė dalelių masė (o tikimybės priklausomybė nuo dydžio labai ryški – eksponentinė).

Remdamiesi tuneliavimo idėja, D. Cockcroft ir E. Walton 1932 metais Cavendish laboratorijoje atrado dirbtinį branduolių dalijimąsi. Jie pastatė pirmąjį greitintuvą, ir nors pagreitintų protonų energijos nepakako potencialo barjerui įveikti, protonai dėl tunelio efekto prasiskverbė į branduolį ir sukėlė branduolinę reakciją. Tunelio efektas taip pat paaiškino alfa skilimo reiškinį.

Tunelio efektas buvo pritaikytas kietojo kūno fizikoje ir elektronikoje.

Įsivaizduokite, kad ant stiklo plokštės (substrato) uždedama metalinė plėvelė (dažniausiai ji gaunama nusodinant metalą vakuume). Tada jis buvo oksiduotas, ant paviršiaus sudarydamas tik kelių dešimčių angstremų storio dielektriko (oksido) sluoksnį. Ir vėl uždengė metaline plėvele. Rezultatas bus vadinamasis „sumuštinis“ (pažodžiui šis angliškas žodis reiškia du duonos gabalėlius, pavyzdžiui, su sūriu tarp jų) arba, kitaip tariant, tunelinis kontaktas.

Ar elektronai gali pereiti iš vienos metalinės plėvelės į kitą? Atrodytų, ne – dielektrinis sluoksnis jiems trukdo. Fig. 2 paveiksle parodytas elektronų potencialios energijos ir padėties grafikas. Metale elektronas juda laisvai ir jo potenciali energija lygi nuliui. Norint patekti į dielektriką, reikia atlikti darbo funkciją, kuri yra didesnė už elektrono kinetinę (taigi ir bendrąją) energiją.

Todėl elektronus metalinėse plėvelėse skiria potencialų barjeras, kurio aukštis lygus .

Jeigu elektronai paklustų klasikinės mechanikos dėsniams, tai tokia kliūtis jiems būtų neįveikiama. Tačiau dėl tunelinio efekto su tam tikra tikimybe elektronai gali prasiskverbti per dielektriką iš vienos metalinės plėvelės į kitą. Todėl plona dielektrinė plėvelė pasirodo esanti pralaidi elektronams – ja gali tekėti vadinamoji tunelinė srovė. Tačiau bendra tuneliavimo srovė lygi nuliui: kiek elektronų juda iš apatinės metalinės plėvelės į viršutinę, vidutiniškai tiek pat juda, atvirkščiai, iš viršutinės plėvelės į apatinę.

Kaip galime padaryti, kad tunelio srovė skirtųsi nuo nulio? Tam reikia sulaužyti simetriją, pavyzdžiui, metalines plėveles prijungti prie šaltinio, kurio įtampa U. Tada plėvelės atliks kondensatorių plokščių vaidmenį, o dielektriniame sluoksnyje atsiras elektrinis laukas. Šiuo atveju elektronams iš viršutinės plėvelės lengviau įveikti barjerą nei elektronams iš apatinės plėvelės. Dėl to tunelio srovė atsiranda net esant žemai šaltinio įtampai. Tuneliniai kontaktai leidžia ištirti elektronų savybes metaluose, taip pat naudojami elektronikoje.