Tunelización cuántica

El túnel cuántico o tunelización (EE. UU.) es el fenómeno de la mecánica cuántica en el que una función de onda puede propagarse a través de una barrera de potencial .

La transmisión a través de la barrera puede ser finita y depende exponencialmente de la altura y el ancho de la barrera. La función de onda puede desaparecer en un lado y reaparecer en el otro lado. La función de onda y su primera derivada son continuas . En estado estacionario, el flujo de probabilidad en la dirección directa es espacialmente uniforme. No se pierde ninguna partícula ni onda. La formación de túneles ocurre con barreras de espesor de alrededor de 1 a 3 nm y más pequeñas. [1]

Algunos autores también identifican como un efecto túnel la mera penetración de la función de onda en la barrera, sin transmisión al otro lado. La tunelización cuántica no está prevista por las leyes de la mecánica clásica, donde superar una barrera potencial requiere energía potencial.

La tunelización cuántica juega un papel esencial en los fenómenos físicos, como la fusión nuclear . [2] Tiene aplicaciones en el diodo de túnel , [3] computación cuántica y en el microscopio de efecto túnel de barrido .

El efecto se predijo a principios del siglo XX. Su aceptación como fenómeno físico general llegó a mediados de siglo. [4]

Se proyecta que el túnel cuántico cree límites físicos al tamaño de los transistores utilizados en la microelectrónica , debido a que los electrones pueden atravesar transistores que son demasiado pequeños. [5] [6]

Animación que muestra el efecto túnel y su aplicación a un STM
Simulación de un paquete de ondas incidente en una barrera de potencial. En unidades relativas, la energía de la barrera es 20, mayor que la energía media del paquete de ondas de 14. Una parte del paquete de ondas atraviesa la barrera.
Un paquete de ondas de electrones dirigido a una barrera de potencial. Tenga en cuenta el punto oscuro a la derecha que representa los electrones de túnel.
Oscilaciones de probabilidad de tunelización cuántica en un doble pozo integrable de potencial, visto en el espacio de fase.
Oscilaciones de túneles asistidas por el caos entre dos toros regulares incrustados en un mar caótico, visto en el espacio de fase
Un mecanismo de trabajo de un dispositivo de diodo de tunelización resonante , basado en el fenómeno de tunelización cuántica a través de las barreras de potencial.
Túnel cuántico a través de una barrera. La energía de la partícula tunelada es la misma pero la amplitud de probabilidad disminuye.
Tunelización cuántica en la formulación del espacio de fase de la mecánica cuántica. Función de Wigner para hacer un túnel a través de la barrera de potencial en unidades atómicas (au). Las líneas sólidas representan el conjunto de niveles del hamiltoniano .
Túnel cuántico a través de una barrera. En el origen ( x = 0), hay una barrera de potencial muy alta, pero estrecha. Se puede observar un efecto túnel significativo.