QuantenTunnelEffekt

Der Quanten-Tunneleffekt ist ein fundamentales Phänomen der Quantenmechanik, bei dem sich Teilchen durch eine Energiebarriere hindurch bewegen können, auch wenn deren Energie E unter der Barrierehöhe liegt. Dies resultiert aus der Wahrscheinlichkeit, dass die Wellenfunktion des Teilchens den Barrierebereich durchdringt und auf der anderen Seite fortbesteht. In einem einfachen eindimensionalen Modell vermittelt die Schrödinger-Gleichung, dass die Übertragungswahrscheinlichkeit T mit der Barrierehöhe und -breite abnimmt; für einen rechteckigen Barriere gilt grob T ≈ exp(-2κa), wobei κ = sqrt(2m(V0−E))/ħ, m die Teilmasse des Teilchens, a die Barrierebreite und ħ das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum. Die WKB-Näherung liefert weitere nützliche Formeln.

Historisch wurde der Quanten-Tunneleffekt Anfang des 20. Jahrhunderts erkannt. George Gamow schlug 1928 eine tunnellebasierte Erklärung für die Alpha-Strahlung in Kernen vor; kurze Zeit darauf entwickelten Gurney und Condon das Konzept ebenfalls für Alpha-Emission. Seitdem hat der Effekt breite Beachtung gefunden.

Zu den bekanntesten Anwendungen gehören der Tunnelnachweis in Metall-Isolator-Metall-Systemen, die Entwicklung von Tunnel-Dioden und das Scanning-Tunneling-Mikroskop (STM), das Oberflächenstrukturen durch Messung von Tunnelströmen abbildet. In der Kern- und Astrophysik erklärt der Tunneleffekt die Raten vieler Reaktionen, etwa der spontane Alpha-Emission, und spielt eine Rolle in der Sterrenfusion, wo Teilchen Barrieren durchdringen, um Kernreaktionen zu ermöglichen.

Der Quanten-Tunneleffekt bleibt ein zentrales Beispiel dafür, wie Quantenphänomene klassische Intuitionen überwinden.