Туннельный эффект

Еще в XVII столетии И.Ньютон сформулировал законы классической механики, что стало великим событием в истории физики. Классическая механика до сих пор остается самой наглядной из наук, закономерности которой легко проверяются экспериментально. Однако нанотехнологии относятся к совершенно иному миру, законы которого определяются квантовой механикой, из-за чего проте­кающие там явления теряют наглядность и очевидность в при­вычном нам виде. Например, считая электрон мячиком или шариком, можно иногда наблюдать странный эффект, при котором этот «мячик»пронзает стенку. Это необычное квантовое явление получило название «туннельного эффекта» и не имеет никаких аналогов в привычном нам мире классической физики, однако оно является совершенно естественным и понятным в рамках квантовой механики атомов, развитой в начале ХХ века. Теоретически эффект был предсказан еще в 1928 году знаменитым физиком Г. Гаммовым. Гамов ввёл представление об этом эффекте для объяснения так называемого альфа-распада в ядерной физике. Это явление наблюдается при сближении атомов и сводится к тому, что электроны атома при сближении атомов могут покидать свои оболочки, не обладая достаточной энергией. Возможность таких переходов объясняется «волновой природой» электронов, а само название возникло из-за того, что с точки зрения внешнего наблюдателя, классической физики (и здравого смысла!) эффект выглядит совершенно непонятным и напоминает ситуацию, при которой электрон как бы находит в стене какой-то «туннель» и проскакивает через него (в качестве стены выступает электростатический потенциал ядра).

Альфа-распад ядер – превращение ядер с некоторым массовым числом (тяжёлые ядра с А>200) в ядра с меньшим массовым числом при одновременном испускании альфа-частиц, являющихся ядрами гелия. Бета-распад связан с испусканием бета-частиц (электронов или позитронов). Бета распад часто сопровождается испусканием гамма-лучей, представляющих собой потоки фотонов жёстких электромагнитных излучений с очень короткой длиной волны (10^{-9 _} 10^-11). Энергия гамма-квантов равна разности энергий конечного и начального уровней ядра.

Процесс носит случайный характер, но его вероятность может быть вычислена по законам квантовой механики совершенно точно (при этом электрон рассматривается одновременно и в качестве волны, и в качестве частицы). Именно волновые характеристики поведения электрона позволяют ему (как показано на рисунке) преодолевать энергетический барьер. При большом количестве таких электронов можно естественно говорить о туннельном токе.

Туннельный эффект уже давно весьма эффективно используется в науке и технике. В частности, на нём основан принцип действия туннельных диодов Эсаки, устройств на джозефсоновских переходах и многих других полупроводниковых приборов. В настоящее время эффект широко используется в сверхчувствительных записывающих головках магнитных дисков (TMR), сканирующих туннельных микроскопах (STM), в приборах ядерной физики и т.д.