Alagúthatás

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Az alagúthatás (alagúteffektus) egy kvantummechanikai jelenség. Az alagúthatás során a részecskék képesek áthatolni olyan gátakon, melyeken a klasszikus fizika törvényei szerint nem lenne lehetséges. Ez a képesség lényeges szerepet játszik számos fizikai jelenségnél, például a magfúziónál, mely a Naphoz hasonló fősorozatbeli csillagok belsejében zajlik,[1] de a mindennapi életünkben is megtalálható: ez alapján működik az alagútdióda és a pásztázó alagútmikroszkóp.[2] Ezt a hatást már a 20. század elején megjósolták, és a század közepére – mint általános fizikai jelenség – elfogadottá vált. A hatást gyakran magyarázzák a Heisenberg-féle határozatlansági relációval és a hullám-részecske dualitással.

Történet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az alagúthatás felfedezését a radioaktivitás tanulmányozása alapozta meg. Ebben a témában az úttörők Henri Becquerel, a Curie házaspár (Marie Curie, Pierre Curie), Ernest Rutherford, Egon Schweidler, és Friedrich Kohlrausch voltak. Friedrich Hund említette meg először az alagúthatást 1927-ben.[3] Az első alkalmazása az alfa-sugárzás matematikai magyarázata volt, melyet 1928-ban George Gamow, Ronald Gurney és Edward Condon publikáltak egymástól függetlenül.[4][5][6]. Max Born jött rá, hogy az alagúthatás nemcsak a magfizikához kötődik, hanem a kvantummechanika része.[2] A félvezetők fejlesztésekor fedezték fel a szilárdtestekben az alagúthatást, mely felfedezéséért hárman kaptak Nobel-díjat 1973-ban.(Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian David Josephson)

Működés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az alagúthatás kvantummechanikai jelenség, melyet közvetlenül nem lehet érzékelni, de megmagyaráz olyan jelenségeket, melyeket a klasszikus fizika nem tud elfogadhatóan levezetni. A jelenség során a részecskék át tudnak hatolni potenciál gátakon, úgy, mintha egy labda át tudna haladni egy hegyen, amikor nem rendelkezik akkora energiával, mellyel egyébként áthaladhatna. A klasszikus mechanika és a kvantummechanika különbözőképpen kezeli ezt a helyzetet. A klasszikus mechanikában egy részecske nem tud áthaladni egy gáton, ha nincs hozzá elég energiája. A kvantummechanikában ezek a részecskék kis valószínűséggel át képesek jutni, mintha egy alagúton keresztül jutnának át a gáton.[7] A különbség onnan adódik, hogy a kvantummechanika az anyag hullám és részecske természetét veszi figyelembe. A magyarázatok a Heisenberg-féle határozatlansági reláció és a hullám-részecske dualitáson alapulnak.[3]

A részecske hullámfüggvénye mindent elmond egy fizikai rendszerről.[8]. Ily módon a hullámfüggvény analízise lenne a megoldás. A Schrödinger-egyenlet ad megoldást egy bizonyos valószínűséggel a hullámegyenletre, nagyobb gátak esetén az alagúthatás valószínűsége csökken. Egyszerűbb gátak esetére (négyszögletes gát) létezik analitikus megoldás. A valós életben a WKB közelítés ad közelítő megoldást, vagy a Feynman-féle integrál. Számos jelenség létezik, mely hasonlóan viselkedik, mint a kvantum alagúthatás, és ezért ezzel a módszerrel lehet leírni őket. Ilyen például a Maxwell-egyenletek alkalmazása a fényre.

Alagúthatás


Alkalmazás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az alagúthatás 1-3 nm vastagságnál, vagy alatta fordul elő,[9] és számos fontos makroszkopikus fizikai jelenség oka. Ilyen például a VLSI csipeknél az áramszivárgás forrása, a mikroelektronikában a legkisebb áramkörök hőjelenségei, melyek korlátot szabnak a miniatürizálásnak.[10] Az alagútdióda, a flashmemória és a pásztázó alagútmikroszkóp működésének is alapja a kvantummechanikai alagúthatás.

Radioaktív bomlás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A radioaktív bomlás során egy instabil atom részecskék és energia sugárzása során stabil atommá változik. Ez a folyamat az alagúthatás nyomán jön létre. Az alfa-bomlásra a kvantummechanika adott először egy alagúthatás magyarázatot.

Spontán DNS mutáció[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A spontán DNS mutációk egy része a DNS replikációk során egy szignifikáns proton alagúthatás következtében eltorzulhat. Ennek lehet egyik következménye az élőlényeknél kialakuló rákbetegség.[11]

Hideg emisszió[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hideg emisszió fontos jelenség a félvezető fizikában. A hideg emisszió során elektronok lépnek ki a szilárdtest felületéről elektrosztatikus tér hatására áthatolva a potenciál gáton, mintha egy alagúton jutnának át. Az elektromos tér növelésével az elektronok kilépnek az atomokból. Az így keletkező áram közel exponenciálisan nő az elektromos térrel.[12] Ezt a hatást használja ki a flashmemória és a pásztázó alagútmikroszkóp.

Gyorsabb, mint a fény[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Lehetséges, hogy zéró spinnel rendelkező részecske gyorsabban mozogjon a fény sebességénél, ha alagút-mozgásban van.[13] Ez kétségtelenül megsérti a kauzalitás elvét. A hullámcsomag gondos analízise kimutatja, hogy a relativitáselmélet nem sérül (a jelenség nem sérti a relativitáselméletet). 1998-ban P. E. Low publikálta a zéró idejű alagúthatás jelenségét.[14] G. Nimtz fononok, fotonok és elektronok kísérleti alagúthatással kapcsolatos idő-adatait publikálta.[15]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Razavy, Mohsen: Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). (hely nélkül): Prentice Hall. 2004. ISBN 9812380191  
  • Griffiths, David J: Quantum Theory of Tunneling. (hely nélkül): World Scientific. 2003. ISBN 9812380191  

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. College Physics Vol. 2 Serway and Vuille
  2. ^ a b Mohsen Razavy, "Quantum Theory of Tunneling", pages 4, 462. World Scientific Publishing Co. 2003
  3. ^ a b Nimtz and Haibel, "Zero Time Space", page 1. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. 2008.
  4. R W Gurney and E U Condon, "Quantum Mechanics and Radioactive Disintegration" Nature 122, 439 (1928); Phys. Rev 33, 127 (1929)
  5. Interview with Hans Bethe by Charles Weiner and Jagdish Mehra at Cornell University, 27 October 1966 accessed 5 April 2010
  6. Friedlander, Gerhart; Kennedy, Joseph E; Miller, Julian Malcolm. Nuclear and Radiochemistry, 2nd edition. New York, London, Sydney: John Wiley & Sons, 225–7. o (1964). ISBN 978-0-471-86255-0 
  7. "Quantum Tunneling Time". ASU. http://cosmos.asu.edu/publications/papers/'Quantum%20Tunelling%20Time'%20AJP000023.pdf.
  8. Bjorken and Drell, "Relativistic Quantum Mechanics", page 2. Mcgraw-Hill College, 1965.
  9. Lerner and Trigg, "Encyclopedia of Physics 2nd Ed.", pg 1308, VCH Publishers (1991
  10. Applications of tunneling". Simon Connell 2006.
  11. Matta, Cherif F. Quantum Biochemistry: Electronic Structure and Biological Activity. Weinheim, Germany: Wiley-Vch Verlag GmbH & Co., 2010. eBook. <http://books.google.com/books?id=a4JhVFaUOjgC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0
  12. Taylor, J: Modern Physics, page 479. Prentice Hall, 2004.
  13. "Quantum Theory of Tunneling", pages 4, 462. World Scientific Publishing Co. 2003
  14. F.E. Low, Comments on apparent superluminal propagation, Ann. Phys, (Leipzig), 7, 660-661, (1998)
  15. G. Nimtz, Tunneling confronts special relativity, Found.Phys., 41, 1193, (2011)

Animáció[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Alagúthatás, animáció