Elektronowy tunel w sprzężeniu kwantowym

Elektronowy tunel w sprzężeniu kwantowym, czyli zjawisko, które pozwala na przenikanie cząstek przez potencjalne bariery energetyczne, jest jednym z fundamentów fizyki kwantowej. To niezwykłe zachowanie subatomowych cząstek pozwala na wiele interesujących zastosowań w mikroelektronice, nanotechnologii i komunikacji.

Jak działa elektronowy tunel w sprzężeniu kwantowym?

Jednym z najważniejszych zjawisk, które wprowadzają w życie tunelowanie elektronów, jest zjawisko interferencji kwantowej. W mikroskopijnej skali przestrzennej, zjawisko to polega na tym, że cząstki subatomowe manifestują się zarówno jako fale, jak i cząstki. Oznacza to, że w pewnych sytuacjach ich fale przestrzenne nakładają się na siebie i wzmacniają, natomiast w innych zakłócają się i gaszą.

Dokładniej mówiąc, w obecności przeszkody potencjalnej, która oddziela dwa obszary przestrzeni, subatomiczne cząstki reprezentowane są przez funkcje falowe, które opisują ich stan kwantowy. Funkcji falowej można przypisać wartość amplitudy, która wskazuje na jej maksymalne natężenie. Łatwo sobie wyobrazić, że im bardziej skomplikowana przeszkoda potencjalna, tym bardziej zakłócona jest funkcja falowa. Jednak dzięki interferencji kwantowej amplitudy fal ulegają modyfikacji, co pozwala na ich przekroczenie.

Przykładowo, jeśli dwie funkcje falowe reprezentujące dwa obszary przestrzeni, są na siebie nachodzące, to sumaryczna wartość ich amplitud jest większa, niż gdyby funkcje falowe były oddzielone od siebie. Oznacza to, że cząstka ma większe szanse na "przebicie" przez przeszkodę potencjalną.

Gdzie zastosować elektronowy tunel w sprzężeniu kwantowym?

Jak już wspomnieliśmy, zjawisko to ma wiele zastosowań w mikroelektronice i nanotechnologii. Jednym z ciekawszych zastosowań jest tunelowy mikroskop skaningowy (STM). To urządzenie pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej rozdzielczości obrazu powierzchni ciała stałego. Technologia ta opiera się na zjawisku tunelowania elektronów pomiędzy ruchomą igłą a badaną powierzchnią.

Kolejnym zastosowaniem technologii tunelowej jest elektronika molekularna. W skali nanometrycznej, molekuły zachowują się jak pojedyncze przewody elektryczne. Wykorzystując zjawisko tunelowania, można stworzyć układy elektroniczne w oparciu o pojedyncze cząsteczki. Dzięki temu, można zmniejszyć rozmiary układów elektronicznych, a tym samym poprawić ich wydajność i zwiększyć ich prędkość działania.

Ostatnim zastosowaniem, które wymienimy jest tunelowa dioda Schottky'ego. Jest to element elektroniczny, który pozwala na zmniejszenie strat w energii podczas przepływu prądu. W skali nanometrycznej, dioda Schottky'ego działa na zasadzie tunelowania termicznego, który polega na przepływie prądu z jednego materiału do drugiego poprzez bariery potencjału.

Podsumowanie

Elektronowy tunel w sprzężeniu kwantowym to niezwykłe zjawisko fizyczne, które pozwala na przenikanie cząstek przez przeszkody energetyczne. Dzięki niemu, możliwe są zastosowania w mikroelektronice, nanotechnologii i komunikacji. Zjawisko to opiera się na interferencji kwantowej, czyli nakładaniu się fali na falę. Jednym z najważniejszych zastosowań można wymienić tunelowy mikroskop skaningowy, elektronikę molekularną oraz tunelową diodę Schottky'ego.