تونل‌زنی کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پرش به: ناوبری, جستجو

Quantum Tunneling.jpg

 

تونل‌زنی کوانتومی (به انگلیسی: Quantum tunneling)اشاره دارد به فرایندی کوانتومی تونل زنی ذره در طول یک مانع که از نظر کلاسیک ذره قادر نیست از آن سد عبور کند.این نقش اساسی در چندین پدیده فیزیکی دیده می شود .برای مثال در واکنش های هسته ای که در ستارگان رشته اصلی (به انگلیسی: main sequencestars)مثل خورشید اتفاق می افتد.همچنین کاربردهای مهمی در وسایل مدرن و جدید مانند دیود تونلی دارد.این پدیده در اوایل قرن بیستم پیش بینی شده بود ودر اواسط قرن به عنوان یک پدیده فیزیکی کلی پذیزفته شد. به عنوان یک نتیجه ی منتطقی از اصل دوگانگی ذره-موج در جسم،تونل زنی معمولا به عنوان اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توضیح داده می شود.مفاهیم مکانیک کووانتومی در واقع در مرکزیت پدیده تونل زنی هستند وهمه در حول این پدیده می باشند،بنابراین می توان گفت تونل زنی کوانتومی یکی از تعاریف ویژگی های مکانیک کوانتومی و خاصیت دوگانگی موج – ذره در جسم می باشد. تاریخچه

 

تونل زنی کوانتومی ابتدا از مطالعه تابش گسترش یافت که در سال 1896 توسط Henri Becquerel کشف شد.مسئله تابش بعدها توسط pierecurie وMarie آزمایش شد.آنها در سال 1903 جایزه نوبل فیزیک را برای این آزمایش دریافت کردند. Ernest Rutherford وEgon schweidler طبیعت تابش را مطالعه کردند که بعدها توسط Fredrich Kohlrausch به صورت تجربی اثبات شد.بعدها نظریه ی نیمه عمر و عدم امکان پیش گویی واپاشی از کار آنها ارائه شد. Friedrich Hund اولین کسی بود که در سال 1927 وقتی که حالت پایه چاه دوتایی را محاسبه می کرد به پدیده ی تونل زنی توجه کرد.اولین کاربرد این پدیده یک توضیح ریاضی برای واپاشی ذرات آلفا بود که در سال 1928 توسط George Gamow انجام شدو دو محقق دیگر هم مستقلا این کار راانجام دادند بنام های Ronald Gurney و Edward Condon . این دو محقق به طور همزمان معادله ی شرودینگر(به انگلیسی: Schrodinger) را برای یک پتانسیل هسته ای و یک رابطه بین نیم عمر ذره وانرژی تابش یافتند که مستقیما به احتمال ریاضی تونل زنی وابسته بود. بعد از ارائه ی یک سمینار توسط Gamow، فردی به نام Maxborn کلیت تونل زنی را دریافت.او پی برد که تونل زنی محدود به فیزیک هسته ای نیست بلکه یک نتیجه ی کلی از مکانیک کوانتومی است که به چندین سیستم مختلف اعمال می شود.کمی بعد،هردو گروه موضوع تونل زنی ذرات به درون هسته را مطرح کردند. در پی آن مطالعه مواد نیمه رسانا و گسترش ترانزیستورها و دیودها منجربه پذیرش تونل زنی الکترون در جامدات در سال 1957شد.کار Leo Esakiو Ivar Giaver و Brian David Josephson باعث شد زوج های کوپر ابررساناها را پیش گویی کنند که برای این کار جایزه نوبل فیزیک را در سال 1973 دریافت کردند.

مقدمه ای بر مفهوم

Quantum tunnelling through a barrier. The energy of the tunnelled particle is the same but the amplitude is decreased.

 

تونل زنی کوانتومی شامل حوزه مکانیک کوانتومی است.مطالعه آنچه که در مقیاس کوانتومی اتفاق می افتد و روند آن به طور مشخص قابل مشاهده نیست،اما درک بیشتر آن در اندازه های میکروسکوپی مجسم شده که مکانیک کلاسیک به اندازه کافی قادر به توضیح آن است. برای درک این پدیده می توان ذره هایی را که سعی در عبور بین دو چاه پتانسیل دارند با توپی که دور یک تپه می چرخد مقایسه کرد. مکانیک کوانتومی و مکانیک کلاسیک در این زمینه رفتارهای متفاوتی دارند.مکانیک کلاسیک پیش بینی می کند که ذره ای که انرژی کافی برای عبور کلاسیکی از چاه ندارند قادر به رسیدن به سمت دیگر نیست،پس یک توپ بدون انرژی کافی برای عبور از تپه پس زده شده و برگشت خواهد کرد و یا در صورت نداشتن انرژی برای نفوذ به داخل دبوار برگشت خواهد خورد(بازتاب) و یا در بهترین حالت داخل دیوار نفوذ خواهد کرد(جذب). در مکانیک کوانتومی این ذره ها می توانند با احتمال خیلی کم به آن طرف تونل برسند پس می توانند از سد عبور کنند.در این مثال توپ نمی تواند از اطراف خود انرژی بگیرد پس برای تونل زدن در طول دیوار ویا گذر از تپه با پس دادن انرژی الکترون های بازتابی تولید کرده و در نتیجه انرژی بیشتری نسبت به آنچه در سمت دیگر خواهد داشت دارد.این اختلافات به دلیل رفتار ذره در مکانیک کوانتومی ،هم بعنوان ذره و هم بعنوان موج است. یک تفسیر دیگر از این دوگانگی شامل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که ضمن آن حدی برای دقت در اندازه گیری مکان و تکانه ذره در یک زمان مشخص تعیین شده است. این موضوع دلالت بر این دارد که هیچ راه حلی با احتمال دقیقا صفر یا یک وجود ندارد.پس ممکن است یک راه حل به بی نهایت برسد بنابراین احتمال حضور یک ذره در سمت مخالف یک سد غیز صفر است و در این صورت است که ذره ها ظاهر خواهند شد-بدون هیچ اثری از عبور فیزیکی سد- وبا همین احتمال در سمت دیگر نیز با یک فرکانس متناسب ذره ظاهرمی شوند.

مساله تونل زنی

An electron wavepacket directed at a potential barrier. Note the dim spot on the right that represents tunnelling electrons.

 

تابع موج یک ذره به طور مختصر هرچیزی را که می توان به عنوان یک سیستم فیزیکی دانست بیان می کند. اگرچه مسائل در فیزیک کوانتومی متمرکز به تحلیل تابع موج ذره است،با استفاده از فرمول های ریاضی مکانیک کوانتومی نظیر معادله شرودینگر ،تایع موج حل خواهد شدواین موضوع مستقیما به چگالی احتمال مکان ذره وابسته است که احتمال حضور ذره در مکان را توصیف می کند.البته در حد سدهای بزرگ احتمال تونل زنی کاهش پیدا میکند(سدهای بلندتر و عریض تر). برای نمونه های ساده تونل زنی سد،مثل سد مستطیلی یک راه حل تحلیلی وجوددارد. معمولا مسائل در واقعیت یک راه حل هم ندارند پس روش های نیمه کلاسیکی یا شبه کلاسیکی برای راه حل های تقریبی این مسائل گسترش یافتند.(نظیر تقریبWKB).احتمال ها ممکن است نتیجه ای با دقت دلخواه باشند.البته با تحمیل کردن توسط منبع محاسبات و روش انتگرال عبور،که این دقت لزوما نیازمند تمرین است.

پدیده های وابسته

 

چندین پدیده وجود دارد که رفتاری شبیه تونل زنی کوانتومی دارند پس می توان آنها را دقیقا توسط تونل زنی توصیف کرد.پدیده هایی مانند جفت شدگی موج ناپایدار (کاربرد معادله موج ماکسول برای تئر) و معدله موج نا پاشیده از صوت اعمال شده برروی موج ریسمان. این آثار برای سد پتانسیل مستطیلی شبیه سازی شده اند.در این مثال ها یک محیط برای عبور وجوددارد،که درراستای انتشار موج یا در نزدیکی همان مسیر است و محیط دومی هم وجوددارد که در راستایی قرار دارد که موج به طور متمایز طی می کند.این را می توان به عنوان یک ناحیه ی باریک محیط B بین دو ناحیه باریک یک محیط A تعریف کرد.حال می توان تحلیل یک سد مستطیلی بوسیله معادله شرودینگر را با آثار دبگر وفق داد.با این شرط که معادله موج دارای جواب موج رونده در محیط A باشد اما جواب حقیقی نهایی در محیط B باشد. در اپتیک محیط A یکخلا است البته در زمانی که محیط B شیشه باشد.در صوت شناسی محیط A می تواند محیط مایع یا گاز باشد و محیط B یک جامد باشد.برای هردو حالت محیط A ناحیه ای از فضاست که انرژی کل ذره بزرگتر از انرژی پتانسیلش است و محیط B سد پتانسیل است. این حالت ها یک موج ورودی دارند و موج برآیند درهردو جهت است.هم چنین می توان ناحیه ها و سدهای بیشتری داشت و نیازی نیست که این سدها گسسته باشند،تقریب نیز در این نمونه ها مفید است.

کاربردها

 

تونل زنی در سدهایی با ضخامت حدود 3-1نانومتر و کمتر اتفاق می افتد و دلیل بسیاری از پدیده های فیزیکی ماکروسکوپی است.برای مثال تونل زنی در نتایج جریان توان ذاتی و تکنولوژی موبایل دیده می شود.

واپاشی رادیواکتیو

نوشتار اصلی: Radioactive decay‎

 

واپاشی رادیواکتیو عبارت است از انتشار ذرات و انرژی از هسته ناپایدار یک اتم برای تشکیل یک حالت پایدار.این پدیده در اثر تونل زنی کوانتومی ذره خارج از هسته انجام می شود(تونل زنی ذره درون هسته جاذبه الکترون است)، که اولین کاربرد تونل زنی کوانتومی بود و به اولین تقریب سوق داد.

گسیل سرد

نوشتار اصلی: Semiconductor device‎

 

گسیل سرد الکترون ها مربوط به فیزیک نیمه رساناها و ابر رساناهاست.این پدیده شبیه پدیده گرمایونی است.

اتصال تونل

نوشتار اصلی: Tunnel junction‎

 

یک سد ساده را می توان بااستفاده از دو رسانا و یک عایق نازک ایجاد کرد، که اتصال تونل هستند و مطالعه آن نیازمند تونل زنی کوانتومی است. اتصالات جوزفسون(به انگلیسی: Josephson)از تونل زنی کوانتومی و ابررسانایی تعدادی نیمه رسانا بهره گرفته تا اثر جوزفسون را تولید کند. این اثر در اندازه گیری دقیق ولتاژ و میدان مغناطیسی مثل سلول های خورشیدی چند اتصالی، کاربرد دارد.

سازوکار یک دیود تونل ذنی تشدید شده، بر اساس پدیده تونل زنی کوانتومی در یک سد پتانسیل

دیود تونلی

نوشتار اصلی: tunnel diode‎

 

دیودها قطعات نیمه رسانای الکترونیکی هستند که این امکان را به جریان می دهند که در یک جهت بیشتر از بقیه برقرار شوند. سازوکار این قطعه وابسته به ناحیه ی تهی، بین نیمه رسانای نوع nونوع p می باشد. وقتی اینها کاملا پر شوند،ناحیه تهی می تواند به قدر کافی برای تونل زدن باریک شود. پس از آن اگر بایاس مستقیم کمی اعمال شود جریان حاصل از تونل زنی بسیار قابل توجه خواهد بود، و مقدار حداکثر در جایی است که ولتاژ بایاس طوری است که سطح انرژی در نوار رسانایی p و n یکسان است. همزمان با افزایش ولتاژ بایاس، دیود به طور ایده آل عمل می کند. چون جریان تونل زنی به سرعت از بین می رود، می توان دیود تونلی با ولتاژ متغیر برای کاهش جریان با افزایش ولتاژ، تولید کرد. این ویژگی خاص در چندین مورد کاربرد دارد. دیود تونلی تشدید شده، استفاده از تونل زنی کوانتومی را در روش های مختلف برای دسترسی به نتایج شبیه به این ممکن می سازد.این دیود در جریان زیاد ولتاژ خاصی را ایجاد می کند که ولتاژ تشدید گفته می شود. اینجا یک چاه پتانسیل کوانتومی ایجاد می شود که دارای حداقل سطح انرژی گسسته است. وقتی که این مقدار انرژی بیشتر از انرژی الکترون باشد هیچ تونل زنی اتفاق نمی افتد و دیود در بایاس معکوس است.

ترانزیستور وابسته به میدان تونلی(FET)

 

یک پروژه تحقیقاتی اروپایی اثبات کرد که FETهایی که در آنها Gate ورودی با تونل زنی کوانتومی بیش از پاشش گرمایی کنترل می شود، ولتاژ Gateرا از 1 ولت تا 0.2 ولت همچنین توان مصرفی را نیز تا 100 برابر کاهش می دهند.

رسانایی کوانتومی

نوشتار اصلی: Classical and quantum conduction‎

 

می توان با استفاده از تونل زنی کوانتومی پدیده برخورد و رفتار الکترون ها را توضیح داد. وقتی یک بسته موج الکترون آزاد به آرایه ای از چند سد برخورد می کند،قسمت باز تابیده موج با قسمت عبور کرده تداخل می کند، در نتیجه مواردی با صد در صد عبور وجود دارد. این نظریه پیش بینی می کند که اگر هسته با بار مثبت آرایه مستطیلی کاملی تشیل دهد، الکترون های درون فلز به عنوان الکترون های آزاد تونل می زنند و این کار منجر به رسانایی بالا می شود.

میکروسکوپ تونل زنی

نوشتار اصلی: Scanning tunneling microscope‎

 

میکروسکوپ تونل زنی(STM)که توسط Gred binning وHeinrich rohrer ابداع شده است، امکان تصویر برداری و مطالعه سطح فلزات و بعضی نیمه رساناها را به ما می دهد. این وسیله با بهره گیری از رابطه ی بین تونل زنی کوانتومی با فاصله عمل می کند. وقتی نوک سوزن STM خیلی نزدیک به سطح رسانایی که ولتاژ بایاس دارد قرار گیرد با اندازه گیری جریان الکترون هایی که در حال تونل زدن بین سوزن و سطح رسانا هستند، فاصله بین سوزن و سطح را می توان اندازه گرفت . این کار با استفاده از میله پیزوالکتریک که اندازه اش تغییر می کند، انجام می شود . پس از اعمال ولتاژ در دو سر آن ها ارتفاع نوک را می توان تنظیم کرد و این کار برای تثبیت جریان تونل زنی می باشد.ولتاژ متغیر با زمان که به این میله ها اعمال می شود نیز ثبت می شود که برای تصویر برداری از سطح رسانا به کار برده می شود. STMها دقتی در حدود0.001nm یا حدود 1% ضخامت اتمی دارند.

سریع تر از نور

 

برای ذرات در سفر زمانی که در حال تونل زنی هستند و در حرکتند،ممکن است سرعتی بیشتر از سرعت نور داشته باشند.ظاهرا این قضیه اصل علیت را نقض می کند ،در این صورت باید مختصات مرجعی وجود داشته باشد که زود تر از ترک کردن میرسد. اگرچه تحلیل عبور بسته موج نشان می دهد که در واقع نظریه نسبیت رد نمی شود.در سال 1998،P.ELow پدیده ی تونل زنی با زمان صفر را دوباره بررسی کرد. اخیرا اطلاعات زمان تونل زنی فوتون ها و الکترون ها توسط G.Nimtz منتشر شده است.

 

نظرات شما عزیزان: