Kvant tunneli: Subatom fizikasining g'aroyib olamiga chuqur sho'ng'ish

Kvant tunneli, shuningdek, kvant mexanik tunneli deb ham ataladi, kvant mexanikasidagi hodisa bo'lib, unda zarracha klassik fizika qonunlariga ko'ra yengib o'tolmaydigan potensial energiya to'sig'idan o'tishi mumkin. Bu imkonsizdek tuyulgan hodisa sodir bo'ladi, chunki kvant darajasida zarrachalar aniq joylashuvga ega emas, balki ehtimollik to'lqini (to'lqin funksiyasi) bilan tavsiflanadi. Bu to'lqin funksiyasi to'siqqa kirib borishi mumkin, bu esa zarrachaga klassik fizikaga ko'ra uning ustidan o'tish uchun yetarli energiyaga ega bo'lmasa ham, to'siqdan 'tunnel' orqali o'tish imkonini beradi.

Kvant tunnelining asoslari

To'lqin-zarracha dualizmi

Kvant tunnelining markazida materiyaning to'lqin-zarracha dualizmi yotadi. Kvant mexanikasining tamal toshi bo'lgan bu konsepsiya barcha zarrachalar ham to'lqinsimon, ham zarrachasimon xususiyatlarni namoyon etishini bildiradi. Yunoncha psi (Ψ) harfi bilan belgilanadigan to'lqin funksiyasi zarrachani ma'lum bir joyda topish ehtimoli amplitudasini tavsiflaydi. To'lqin funksiyasi kattaligining kvadrati ehtimollik zichligini beradi.

Geyzenbergning noaniqlik prinsipi

Yana bir muhim tamoyil - bu Geyzenbergning noaniqlik prinsipi bo'lib, u zarrachaning o'rnini va impulsini bir vaqtning o'zida mukammal aniqlik bilan bila olmasligimizni aytadi. Birini qanchalik aniq bilsak, ikkinchisini shunchalik noaniq bilamiz. Bu tabiiy noaniqlik kvant tunneliga imkon berishda hal qiluvchi ahamiyatga ega. Zarrachaning joylashuvidagi noaniqlik uning o'rnini 'surkalishiga' imkon beradi, bu esa uning to'lqin funksiyasining to'siqning narigi tomonidagi hudud bilan mos tushish ehtimolini oshiradi.

Vaqtga bog'liq bo'lmagan Shredinger tenglamasi

To'lqin funksiyasining harakati Shredinger tenglamasi bilan boshqariladi. Vaqtga bog'liq bo'lmagan potensial uchun tenglama quyidagicha:

-ħ²/2m * (d²Ψ/dx²) + V(x)Ψ = EΨ

Bu yerda:

ħ - qisqartirilgan Plank doimiysi
m - zarrachaning massasi
V(x) - joylashuv funksiyasi sifatida potensial energiya
E - zarrachaning umumiy energiyasi
Ψ - to'lqin funksiyasi

Ushbu tenglamani berilgan potensial to'siq uchun yechib, biz zarrachaning u orqali tunnel o'tish ehtimolini aniqlashimiz mumkin.

Kvant tunneli qanday ishlaydi: Bosqichma-bosqich tushuntirish

Zarracha to'siqqa yaqinlashadi: O'zining to'lqin funksiyasi bilan tavsiflangan zarracha potensial to'siqqa yaqinlashadi. Bu to'siq zarrachadan klassik usulda yengib o'tish uchun o'zida mavjud energiyadan ko'proq energiya talab qiladigan fazo hududini ifodalaydi.
To'lqin funksiyasining kirib borishi: To'liq qaytish o'rniga, to'lqin funksiyasi to'siqqa kirib boradi. To'siq ichida to'lqin funksiyasi eksponensial ravishda so'nadi. To'siq qanchalik qalin bo'lsa va potensial energiya qanchalik yuqori bo'lsa, to'lqin funksiyasi shunchalik tez so'nadi.
Boshqa tomonda paydo bo'lish: Agar to'siq yetarlicha yupqa bo'lsa, to'lqin funksiyasining bir qismi to'siqning narigi tomonida paydo bo'ladi. Bu zarrachani narigi tomonda topish ehtimoli nolga teng emasligini anglatadi, garchi klassik fizika bo'yicha u yerda bo'lmasligi kerak edi.
Aniqlash: Agar biz to'siqning narigi tomonida o'lchov o'tkazsak, zarrachani aniqlashimiz mumkin, bu uning tunnel orqali o'tganini ko'rsatadi.

Tunnel o'tish ehtimoliga ta'sir qiluvchi omillar

Zarrachaning to'siqdan tunnel orqali o'tish ehtimoli bir necha asosiy omillarga bog'liq:

To'siq kengligi: To'siq qanchalik keng bo'lsa, tunnel o'tish ehtimoli shunchalik past bo'ladi. To'lqin funksiyasi to'siq ichida eksponensial ravishda so'nadi, shuning uchun kengroq to'siq ko'proq so'nishga imkon beradi.
To'siq balandligi: To'siqning potensial energiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, tunnel o'tish ehtimoli shunchalik past bo'ladi. Yuqori to'siq zarrachadan yengib o'tish uchun ko'proq energiya talab qiladi, bu esa tunnel o'tishini kamaytiradi.
Zarracha massasi: Zarracha qanchalik massiv bo'lsa, tunnel o'tish ehtimoli shunchalik past bo'ladi. Og'irroq zarrachalar ko'proq lokalizatsiyalangan va kamroq to'lqinsimon bo'ladi, bu ularning to'lqin funksiyasining tarqalishi va to'siqqa kirib borishini qiyinlashtiradi.
Zarracha energiyasi: Zarracha energiyasi to'siq balandligiga qanchalik yaqin bo'lsa, tunnel o'tish ehtimoli shunchalik yuqori bo'ladi. Garchi u hali ham to'siqni yengib o'tish uchun klassik chegaradan past bo'lsa-da, yuqori energiya tunnel o'tishini juda past energiyaga qaraganda ehtimolroq qiladi.

Matematik jihatdan, tunnel o'tish ehtimoli (T) to'rtburchak to'siq uchun quyidagi tenglama bilan taxminan ifodalanishi mumkin:

T ≈ exp(-2√(2m(V₀ - E)) * L / ħ)

Bu yerda:

V₀ - potensial to'siq balandligi
E - zarrachaning energiyasi
L - to'siqning kengligi
m - zarrachaning massasi
ħ - qisqartirilgan Plank doimiysi

Kvant tunnelining real hayotdagi qo'llanilishi

Kvant tunneli shunchaki nazariy qiziqish emas; u fan va texnologiyaning turli sohalarida chuqur va amaliy ahamiyatga ega. Quyida bir nechta e'tiborga loyiq misollar keltirilgan:

1. Yulduzlardagi yadro sintezi

Yulduzlar, shu jumladan bizning Quyoshimiz ham, yengilroq yadrolar birlashib, og'irroq yadrolarni hosil qiladigan yadro sintezi orqali energiya ishlab chiqaradi. Yulduzning yadrosi nihoyatda issiq va zich bo'lsa-da, hatto shu ekstremal sharoitlarda ham yadrolarning kinetik energiyasi ular orasidagi elektrostatik itarish kuchini (Kulon to'sig'ini) yengib o'tish uchun ko'pincha yetarli bo'lmaydi.

Kvant tunneli bu to'siqqa qaramasdan yadrolarning birlashishiga imkon berishda hal qiluvchi rol o'ynaydi. Tunnelsiz yadro sintezi tezligi ancha past bo'lar edi va yulduzlar bunchalik yorqin porlay olmas yoki uzoq vaqt mavjud bo'la olmas edi. Bu kvant mexanikasi biz bilgan hayot uchun zarur bo'lgan jarayonlarni qanday ta'minlashining yorqin namunasidir.

2. Radioaktiv parchalanish

Alfa parchalanish kabi radioaktiv parchalanish kvant tunnelining muhim bo'lgan yana bir misolidir. Alfa parchalanishda alfa zarrachasi (ikki proton va ikki neytron) atom yadrosidan chiqib ketadi. Alfa zarrachasi kuchli yadro kuchi bilan yadro ichida bog'langan, ammo u yadrodagi boshqa protonlardan kelib chiqadigan itaruvchi Kulon kuchini ham his qiladi.

Bu kuchlarning birikmasi potensial to'siqni yaratadi. Alfa zarrachasida bu to'siqni klassik usulda yengib o'tish uchun yetarli energiya bo'lmasa ham, u tunnel orqali o'tib, radioaktiv parchalanishga olib kelishi mumkin. Parchalanish tezligi tunnel o'tish ehtimoliga bevosita bog'liq.

3. Skanerlovchi tunnel mikroskopiyasi (STM)

Skanerlovchi tunnel mikroskopiyasi (STM) - bu sirtlarni atom darajasida tasvirlash uchun ishlatiladigan kuchli usul. U bevosita kvant tunneli tamoyiliga tayanadi. O'tkir, o'tkazuvchan uch tekshirilayotgan sirtga juda yaqin keltiriladi. Uch va sirt o'rtasida kichik kuchlanish qo'llaniladi.

Uch sirtga jismonan tegmasa ham, elektronlar ular orasidagi bo'shliqdan tunnel orqali o'tishi mumkin. Tunnel toki uch va sirt orasidagi masofaga juda sezgir. Uchni sirt bo'ylab skanerlash va tunnel tokini kuzatish orqali sirtning atom aniqligidagi topografik xaritasini yaratish mumkin. Bu usul materialshunoslik, nanotexnologiya va sirt kimyosida keng qo'llaniladi.

Masalan, yarimo'tkazgichlar ishlab chiqarishda STMlar mikrochiplar sirtini nuqsonlar uchun tekshirish va ishlab chiqarish jarayoni sifatini ta'minlash uchun ishlatiladi. Dunyo bo'ylab tadqiqot laboratoriyalarida STMlar yangi materiallarning tuzilishini o'rganish va ularning xususiyatlarini tadqiq qilish uchun ishlatiladi.

4. Tunnel diodlari (Esaki diodlari)

Tunnel diodlari, shuningdek, Esaki diodlari deb ham ataladi, juda tez kommutatsiya tezligiga erishish uchun kvant tunnelidan foydalanadigan yarimo'tkazgichli qurilmalardir. Bu diodlar kuchli legirlangan bo'lib, p-n o'tish joyida juda tor qashshoqlashgan hududni yaratadi.

Tor qashshoqlashgan hudud tufayli elektronlar hatto past kuchlanishlarda ham o'tish joyidan osongina tunnel orqali o'tishi mumkin. Bu diodning tok-kuchlanish (I-V) xarakteristikasida manfiy qarshilik hududiga olib keladi. Bu manfiy qarshilik yuqori chastotali ossillyatorlar va kuchaytirgichlarda ishlatilishi mumkin.

Tunnel diodlari turli elektron tizimlarda, jumladan, mikroto'lqinli aloqa, radar tizimlari va yuqori tezlikdagi raqamli sxemalarda qo'llaniladi. Ularning tez kommutatsiya qilish qobiliyati ularni talabchan elektron ilovalarda qimmatli komponentlarga aylantiradi.

5. Flesh xotira

STM yoki tunnel diodlaridagidek to'g'ridan-to'g'ri bo'lmasa-da, kvant tunneli USB drayvlar, qattiq jismli disklar (SSD) va boshqa portativ saqlash qurilmalarida ishlatiladigan flesh xotiraning ishlashida rol o'ynaydi. Flesh xotira hujayralari ma'lumotlarni tranzistor ichidagi elektr izolyatsiyalangan qatlam bo'lgan suzuvchi zatvorga elektronlarni qamash orqali saqlaydi.

Xotira hujayrasini dasturlash (ya'ni, ma'lumotlarni yozish) uchun elektronlar yupqa izolyatsion qatlam (oksid) orqali suzuvchi zatvorga tunnel o'tishga majbur qilinadi. Fowler-Nordgeym tunneli deb ataladigan bu jarayon tunnelni osonlashtirish uchun yuqori elektr maydonini talab qiladi. Elektronlar suzuvchi zatvorga qamalganidan so'ng, ular tranzistorning chegara kuchlanishini o'zgartiradi, bu esa saqlangan ma'lumot bitini (0 yoki 1) ifodalaydi.

O'qish va o'chirish operatsiyalarida boshqa mexanizmlar ishtirok etsa-da, dastlabki yozish jarayoni elektronlarni suzuvchi zatvorga o'tkazish uchun kvant tunneliga tayanadi. Flesh xotiraning ishonchliligi va uzoq umr ko'rishi tunnel sodir bo'ladigan izolyatsion qatlamning yaxlitligiga bog'liq.

6. DNK mutatsiyasi

Hatto biologik tizimlarda ham kvant tunnelining nozik, ammo potentsial ahamiyatli ta'siri bo'lishi mumkin. Bir misol - spontan DNK mutatsiyasi. DNKning ikkita zanjirini bir-biriga bog'lab turadigan vodorod bog'lari ba'zan protonlarning bir asosdan ikkinchisiga tunnel o'tishini o'z ichiga olishi mumkin.

Bu tunnel o'tishi DNK asoslarining tuzilishini vaqtincha o'zgartirishi mumkin, bu esa DNK replikatsiyasi paytida noto'g'ri asoslar juftlashishiga olib keladi. Bu kamdan-kam uchraydigan hodisa bo'lsa-da, u evolyutsiyaning harakatlantiruvchi kuchi bo'lgan va genetik kasalliklarga ham olib kelishi mumkin bo'lgan spontan mutatsiyalarga hissa qo'shishi mumkin.

7. Ammiak inversiyasi

Ammiak molekulasi (NH₃) cho'qqisida azot atomi bo'lgan piramidal shaklga ega. Azot atomi uchta vodorod atomi tomonidan hosil qilingan tekislik orqali tunnel o'tishi mumkin, bu esa molekulaning inversiyasiga olib keladi.

Bu inversiya azot atomi vodorod atomlari tekisligini kesib o'tishga harakat qilganda samarali ravishda potensial to'siqqa duch kelishi tufayli sodir bo'ladi. Tunnel o'tish tezligi nisbatan yuqori bo'lib, mikroto'lqinli hududda xarakterli chastotaga olib keladi. Bu hodisa nurlanishning stimullangan emissiyasiga asoslangan mikroto'lqinli kuchaytirgichlar bo'lgan ammiak mazerlarida qo'llaniladi.

Kvant tunnelining kelajagi

Kvant tunneli kelajakdagi texnologiyalarda, xususan, quyidagi sohalarda yanada katta rol o'ynashga tayyor:

1. Kvant hisoblashlari

Kvant hisoblashlari klassik kompyuterlar uchun imkonsiz bo'lgan hisoblashlarni amalga oshirish uchun kvant mexanikasi tamoyillaridan foydalanadi. Kvant tunnelining turli kvant hisoblash texnologiyalarida rol o'ynashi kutilmoqda, masalan:

Kvant nuqtalari: Kvant nuqtalari - bu kvant mexanik xususiyatlarini, jumladan kvant tunnelini namoyon etadigan nanoskaladagi yarimo'tkazgich kristallaridir. Ular kvant kompyuterlari uchun potentsial kubitlar (kvant bitlari) sifatida o'rganilmoqda.
Jozefson kontaktlari: Bu qurilmalar yupqa izolyatsion qatlam bilan ajratilgan ikkita o'ta o'tkazuvchan materialdan iborat. Elektronlar izolyatsion qatlam orqali tunnel o'tib, o'ta o'tkazuvchan tokni hosil qilishi mumkin. Jozefson kontaktlari kvant kompyuterlarini yaratishning istiqbolli yondashuvi bo'lgan o'ta o'tkazuvchan kubitlarda qo'llaniladi.

2. Ilg'or elektronika

Elektron qurilmalar hajmi kichrayishda davom etar ekan, kvant tunneli tobora muhimroq bo'lib bormoqda. Masalan, nanoskaladagi tranzistorlarda tunnel oqimi oqishiga olib kelishi mumkin, bu esa qurilma samaradorligini pasaytirishi mumkin. Biroq, tadqiqotchilar, shuningdek, yaxshilangan ishlashga ega bo'lgan yangi turdagi tranzistorlarni yaratish uchun tunneldan foydalanish usullarini o'rganmoqdalar.

3. Yangi materiallar

Kvant tunneli yangi materiallarni atom darajasida tadqiq qilish va boshqarish uchun ishlatilmoqda. Masalan, tadqiqotchilar ajoyib elektron va mexanik xususiyatlarga ega bo'lgan ikki o'lchovli material bo'lgan grafenning xususiyatlarini o'rganish uchun STM dan foydalanmoqdalar. Tunnel, shuningdek, materiallarning elektron tuzilishini o'zgartirish uchun ham ishlatilishi mumkin, bu esa moslashtirilgan xususiyatlarga ega yangi qurilmalarni yaratish imkoniyatlarini ochadi.

Qiyinchiliklarni yengish

O'zining potentsialiga qaramay, kvant tunnelidan foydalanish bir nechta qiyinchiliklarni ham keltirib chiqaradi:

Tunnelni boshqarish: Tunnelni aniq boshqarish ko'plab ilovalar uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega. Bu qiyin bo'lishi mumkin, chunki tunnel to'siq kengligi, balandligi va harorat kabi omillarga juda sezgir.
Keraksiz tunnelni minimallashtirish: Ba'zi hollarda, tunnel zararli bo'lishi mumkin. Masalan, tunnel tufayli oqib chiqadigan toklar elektron qurilmalarning ish faoliyatini yomonlashtirishi mumkin.
Murakkab tizimlarni tushunish: Biologik molekulalar kabi murakkab tizimlarda tunnel ta'sirini bashorat qilish va tushunish qiyin bo'lishi mumkin.

Global tadqiqot harakatlari

Kvant tunneli bo'yicha tadqiqotlar butun dunyo bo'ylab universitetlar va tadqiqot institutlarida olib borilmoqda. Ba'zi e'tiborga loyiq misollar:

Kembrij universiteti (Buyuk Britaniya): Tadqiqotchilar turli tizimlarda, jumladan, yarimo'tkazgichlar va o'ta o'tkazgichlarda kvant tunnelini o'rganmoqdalar.
Maks Plank nomidagi Qattiq jismlar tadqiqot instituti (Germaniya): Ushbu institut nanoskaladagi materiallar va qurilmalarda tunnel o'tish bo'yicha tadqiqotlar olib bormoqda.
Kavli nomidagi Nazariy fizika instituti (AQSh): Ushbu institut kvant tunneli va unga bog'liq mavzularda seminarlar va konferensiyalar o'tkazadi.
Xitoy Fanlar akademiyasining Fizika instituti (Xitoy): Tadqiqotchilar topologik materiallar va kvant hisoblashlarida kvant tunnelini o'rganmoqdalar.
Tokio universiteti (Yaponiya): Universitetda qattiq jismlar fizikasi va nanotexnologiyada kvant tunneli ustida ishlaydigan faol tadqiqot guruhlari mavjud.

Xulosa

Kvant tunneli - bu bizning dunyo haqidagi klassik tushunchamizga zid keladigan hayratlanarli va intuitiv bo'lmagan hodisadir. Bu shunchaki nazariy qiziqish emas, balki ko'plab muhim texnologiyalar va tabiiy hodisalarning asosida yotgan fundamental jarayondir.

Yulduzlarning sintezidan tortib elektron qurilmalarning ishlashigacha, kvant tunneli hal qiluvchi rol o'ynaydi. Kvant olamini o'rganishda davom etar ekanmiz, biz bu ajoyib hodisaning yanada ko'proq qo'llanilishini kashf etishimizni kutishimiz mumkin, bu esa kelajakni shakllantiradigan yangi va innovatsion texnologiyalarga olib keladi. Davom etayotgan global tadqiqot harakatlari ushbu sohaning muhimligini va uning fan va texnikaning turli sohalarini inqilob qilish potentsialini ta'kidlaydi.

Kvant tunnelini doimiy ravishda o'rganish va chuqurroq tushunish turli fanlar bo'yicha yutuqlarni va'da qiladi va uning zamonaviy fan va texnologiyaning tamal toshi sifatidagi o'rnini mustahkamlaydi. Uning ta'siri, shubhasiz, kelajakdagi innovatsiyalarga ham tarqaladi, koinot haqidagi tushunchamizni shakllantiradi va texnologik imkoniyatlarimizni oshiradi.