Alagúthatás
Az alagúthatás (illetve alagúteffektus) kvantummechanikai jelenség. Az alagúthatás során a részecskék képesek áthatolni olyan potenciálgátakon, melyeken a klasszikus fizika törvényei szerint nem lenne erre lehetőségük. Az alagúthatás azon jelenségek egyike, mely csak a kvantummechanika figyelembevételével magyarázható, így az elmélet kísérleti igazolásául is szolgál.[1]
Az alagúthatás számos megfigyelhető jelenség alapjául szolgál. Például lehetővé teszi, hogy összeérintett fémek között áram jöjjön létre (például elektronikai eszközökben), ugyanis ezt például a fémek felületén kialakuló oxidréteg akadályozná. Az alagúthatás nélkül egyes magreakciók nem jönnének létre, így például a csillagok belsejében zajló magfúzió is azért következhet be, mert a magok alagúteffektussal jutnak át egymás taszító Coulomb-blokádján. Továbbá a jelenség számos elektronikai eszközben játszik szerepet, ez alapján működik az alagútdióda és a pásztázó alagútmikroszkóp.[2]
A jelenség megnevezése azon analógia mentén alakult ki, hogy ha egy részecske nem rendelkezhet elég energiával a potenciálfal megmászásához, akkor alatta csakis alagúton át juthat a túloldalra.
Története szerkesztés
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 egymástól függetlenül publikált.[4][5][6]
Max Born mutatott rá, hogy az alagúthatás nem csak a magfizikán belül érvényes, hanem egy általános kvantummechanikai jelenség.[2] A félvezetők fizikájának kutatása során fedezték fel a szilárdtestekben is a jelenséget, mely felfedezésért Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian David Josephson 1973-ban Nobel-díjat kapott.[7]
Fizikai leírása szerkesztés
Az alagúthatás egy kvantummechanikai jelenség, amelynek leírására nincs elfogadható, a kísérletekkel összeegyeztethető klasszikus fizikai kép. Értelmezéséhez feltételezni kell az anyag kettős természetét, ugyanis a részecskék hullámfüggvény-formalizmusában az effektus leírható. A jelenség során a részecskék olyan potenciálgátakon tudnak átlépni, melyekről a klasszikus fizika szerint visszaverődnének. Ehhez az szükséges, hogy a magas potenciálgát kellőképpen vékony legyen a terjedés irányában.
Félklasszikus fizikai kép szerkesztés
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, arról egyszerűen visszaverődik.
A részecske mozgására vonatkozó elmélet alapján ha sok részecskét indítanánk a potenciálfal irányába, ez akkor is minden egyes esetben így történne. Egyes kísérletek azonban azt mutatják, hogy ha a potenciálfal kellőképpen vékony, a részecskék egy kis mennyisége átjuthat a potenciálgát túloldalára. Még némiképp a klasszikus fizika keretei között maradva, hullámokkal a jelenség ha nem is teljes értékűen, de magyarázható. Az ábrán egy egységnyi amplitúdójú hullám érkezik balról egy olyan közegben, melyben terjedni képes. A határfelületen olyan közeggel találkozik, melyben lecsengővé válik. Azonban a potenciálgát túloldalát elérve a lecsengő megoldás még képvisel egy nemnulla amplitúdót, így csökkent amplitúdójú terjedő hullám alakul ki.[8]
Kvantummechanikai leírás szerkesztés
Az egyik legegyszerűbb rendszer, melyben az alagúthatás leírható, A részecske hullámfüggvénye mindent elmond egy fizikai rendszerről. 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.
Szerepe fizikai jelenségekben szerkesztés
Téremisszió szerkesztés
A téremisszió a félvezetők fizikájának egy fontos jelensége, amely során elektrosztatikus tér hatására elektronok lépnek ki a szilárdtest felületéről. A kilépés közben potenciálgátat kell leküzdeniük, így alagúthatás lép fel. Az elektromos tér növelésével az elektronok kilépnek az atomokból. Az így keletkező áram közel exponenciálisan nő az elektromos térrel.[9] Ezt a hatást használja ki a flashmemória és a pásztázó alagútmikroszkóp.
Radioaktív bomlás szerkesztés
A radioaktív bomlás során egy instabil atom részecskék és energia sugárzása során stabil atommá alakul. Ezen folyamat közben folyamat az alagúthatás nyomán jön létre. Az alfa-bomlásra a kvantummechanika adott először egy alagúthatás magyarázatot.
Spontán DNS mutáció szerkesztés
A spontán DNS mutációk egy része a DNS replikációk során egy szignifikáns proton alagúthatás következtében eltorzulhat. Ennek lehet egyik következménye az élőlényeknél kialakuló rákbetegség.[10]
Alkalmazásai szerkesztés
Az alagúthatás 1-3 nm vastagságnál, vagy alatta fordul elő,[11] 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.[12]
Az alagútdióda, a flashmemória és a pásztázó alagútmikroszkóp működésének is alapja a kvantummechanikai alagúthatás.
Források szerkesztés
Szakkönyvek szerkesztés
- Griffiths, David J: Quantum Theory of Tunneling. (hely nélkül): World Scientific. 2003. ISBN 981-238-019-1
- Razavy, Mohsen: Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). (hely nélkül): Prentice Hall. 2004. ISBN 981-238-019-1
- Geszti. Kvantummechanika [archivált változat]. Budapest: Typotex (2011). ISBN 978-963-279-436-5. Hozzáférés ideje: 2017. április 21. [archiválás ideje: 2017. április 22.]
Ismeretterjesztő weblapok szerkesztés
- Pásztázó alagútmikroszkóp (STM) alkalmazása - Fizipedia (magyar nyelven). fizipedia.bme.hu. [2017. április 22-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
Jegyzetek szerkesztés
- ↑ Geszti 2011, 32, 61–64. o.
- ↑ a b Mohsen Razavy, "Quantum Theory of Tunneling", pages 4, 462. World Scientific Publishing Co. 2003
- ↑ Nimtz and Haibel, "Zero Time Space", page 1. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. 2008.
- ↑ R W Gurney and E U Condon, "Quantum Mechanics and Radioactive Disintegration" Nature 122, 439 (1928); Phys. Rev 33, 127 (1929)
- ↑ Interview with Archiválva 2014. szeptember 10-i dátummal a Wayback Machine-ben Hans Bethe by Charles Weiner and Jagdish Mehra at Cornell University, 27 October 1966 accessed 5 April 2010
- ↑ 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
- ↑ The Nobel Prize in Physics 1973. www.nobelprize.org. (Hozzáférés: 2017. április 29.)
- ↑ Geszti 2011, 61–62. o.
- ↑ Taylor, J: Modern Physics, page 479. Prentice Hall, 2004.
- ↑ Matta, Cherif F. Quantum Biochemistry: Electronic Structure and Biological Activity. Weinheim, Germany: Wiley-Vch Verlag GmbH & Co., 2010. eBook. <https://books.google.com/books?id=a4JhVFaUOjgC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0
- ↑ Lerner and Trigg, Encyclopedia of Physics 2nd Ed., pg 1308, VCH Publishers (1991
- ↑ Applications of tunneling. Simon Connell 2006.