Kvanttitunneliilmiö

Kvanttitunneliilmiö, suomeksi myös kvanttitunneliutuminen tai tunneleffekt, on kvanttimekaniikan ilmiö, jossa hiukkasella on äärellinen todennäköisyys läpäistä potentiaalivalli, vaikka sen energia olisi pienempi kuin vallin korkeus. Klassisessa fysiikassa tämä olisi mahdotonta; hiukkasen tulisi kimpoontua takaisin tai ylittää valli vain, jos sen energia olisi riittävä. Kvanttimekaniikassa hiukkasen aaltofunktio ei kuitenkaan kutistu nollaan potentiaalivallin sisällä, vaan vaimenee eksponentiaalisesti. Tämän vaimenemisen seurauksena aaltofunktiolla on nollasta poikkeava arvo myös vallin toisella puolella, mikä tarkoittaa, että hiukkasella on olemassa todennäköisyys löytyä vallin läpi.

Todennäköisyys tunkeutua vallin läpi riippuu useista tekijöistä, kuten vallin leveydestä ja korkeudesta sekä hiukkasen massasta ja energiasta. Mitä kapeampi ja matalampi valli on, ja mitä kevyempi ja energisempi hiukkainen on, sitä suurempi on tunkeutumistodennäköisyys. Ilmiö on merkittävin mikroskooppisessa mittakaavassa, mutta sillä on tärkeitä sovelluksia ja vaikutuksia useilla fysiikan ja tekniikan aloilla.

Kvanttitunneliutumisella on keskeinen rooli monissa luonnonilmiöissä ja teknologisissa sovelluksissa. Sitä esiintyy esimerkiksi radioaktiivisessa hajoamisessa, missä alfahiukkaset poistuvat atomiytimestä tunkeutumalla ulos potentiaalivallin läpi. Myös ydinreaktioissa tähdissä, kuten auringossa, tapahtuu tunneleitumista, mikä mahdollistaa fuusioreaktioiden käynnistymisen suhteellisen matalissa lämpötiloissa. Teknologian puolella ilmiötä hyödynnetään muun muassa scanning tunneling microscope (STM) -mikroskoopissa, joka mahdollistaa atomien tason tarkastelun materiaalien pinnasta tunnelehtivan virran avulla. Myös puolijohdekomponenteissa, kuten tunnelidiodissa, kvanttitunneliutuminen on olennainen toimintaperiaate.