Tunneleffekt

Tunneleffekt är ett kvantmekaniskt fenomen där en partikel har en definierad sannolikhet att passera igenom en potentialbarriär trots att dess energi är lägre än barriärens höjd. I klassisk fysik skulle partikeln vägra att övervinna en barrière av större energi än sin egen. Inom kvantmekanik beskrivs partikeln av en vågfunktion som sträcker sig in i barriären och ger upphov till en icke-noll transmissionssannolikhet genom barriären.

Den grundläggande mekanismen är våg–fält-interferens och cyklisk möjlig penetrering av barriären. Lösningar till Schrödingers ekvation visar att vågfunktionen följer en exponerande nedgång inne i barriären, vilket ger en övergångsförmåga som beror på partikelns massa, energinivå, barriärens höjd och dess bredd. I förenklad 1D-version (rektangulär barriär) kan transmissionskoefficienten T uppskattas som T ≈ exp(-2aκ), där κ = sqrt(2m(V0−E))/ħ, m är partikelns massa, a barriärens bredd och V0-barriärens höjd. Mer allmänna fall beskrivs med WKB-ansatsen: T ≈ exp[−2∫ κ(x) dx]. Tunneleffekt uppträder i många sammanhang och beror på materiella och geometriska parametrar.

Historiskt spelade tunnling en viktig roll i förklaringarna av radioaktivt α-decay av George Gamow (1928) och andra tidiga kvantfysiker. Den praktiska betydelsen nådde laboratorier med uppfinningen av scanning tunneling-mikroskopet (STM) av Binnig och Rohrer 1981 och med Esaki-dioder (tunnel-dioder). Inom kärnfysik och astrofysik förekommer tunnling i stjärnors kärneaktioner, medan kvantmekaniska kärnkopplingar i superledning bygger på tunnling av Cooper-par.

Tunneleffekt förblir ett centralt begrepp inom kvantteori, med bred användning i materialvetenskap, nanoteknik och kärnfysik.