Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование или туннелирование (США [ необходимо уточнение ] ) — это квантово-механическое явление, при котором волновая функция может распространяться через потенциальный барьер .

Прохождение через барьер может быть конечным и экспоненциально зависит от высоты и ширины барьера. Волновая функция может исчезнуть с одной стороны и вновь появиться с другой. Волновая функция и ее первая производная непрерывны . В установившемся режиме поток вероятности в прямом направлении пространственно однороден. Ни одна частица или волна не потеряны. Туннелирование происходит с барьерами толщиной около 1–3 нм и меньше. [1]

Некоторые авторы также идентифицируют простое проникновение волновой функции в барьер без передачи на другую сторону как туннельный эффект. Квантовое туннелирование не предсказывается законами классической механики , где для преодоления потенциального барьера требуется потенциальная энергия.

Квантовое туннелирование играет важную роль в физических явлениях, таких как ядерный синтез . [2] Он применяется в туннельных диодах , [3] в квантовых вычислениях и в сканирующем туннельном микроскопе .

Эффект был предсказан еще в начале 20 века. Его признание как общего физического явления произошло в середине века. [4]

Предполагается, что квантовое туннелирование создаст физические ограничения на размер транзисторов , используемых в микроэлектронике , из-за того, что электроны могут туннелировать мимо транзисторов, которые слишком малы. [5] [6]

Анимация, показывающая туннельный эффект и его применение к STM .
Моделирование волнового пакета, падающего на потенциальный барьер. В относительных единицах энергия барьера равна 20, что больше средней энергии волнового пакета, равной 14. Часть волнового пакета проходит через барьер.
Электронный волновой пакет направлен на потенциальный барьер. Обратите внимание на тусклое пятно справа, обозначающее туннелирующие электроны.
Квантовые туннельные колебания вероятности в интегрируемой двойной яме потенциала в фазовом пространстве.
Туннельные колебания, вызванные хаосом, между двумя правильными торами, погруженными в хаотическое море, в фазовом пространстве
Рабочий механизм резонансно-туннельного диода , основанный на явлении квантового туннелирования через потенциальные барьеры.
Квантовое туннелирование через барьер. Энергия туннелированной частицы остается той же, но амплитуда вероятности уменьшается.
Квантовое туннелирование в формулировке квантовой механики в фазовом пространстве . Функция Вигнера для туннелирования через потенциальный барьер в атомных единицах (а.е.). Сплошные линии представляют множество уровня гамильтониана .
Квантовое туннелирование через барьер. В начале координат ( x = 0) существует очень высокий, но узкий потенциальный барьер. Виден значительный туннельный эффект.