Kuantum tünelleme: Revizyonlar arasındaki fark

'''Kuantum tüneli''', parçacığın [[Dörtgen potansiyel bariyeri|bariyer]] boyunca olan [[kuantum mekaniği]]ni ifade eder. Bu, [[Güneş]] gibi [[Anakol|yıldızlar dizisinde]] meydana gelen [[Füzyon|nükleer birleşmeler]] gibi birçok fiziksel olayda önemli bir rol oynar. [[Tünel diyotu]], [[kuantum bilgisayarı]] ve [[taramalı tünelleme mikroskopu]] gibi modern araçlarda önemli uygulamaları vardır. Fiziksel olay olarak etkisi ve kabul görülürlüğü 20. Yüzyılın başlarında ve ortalarına doğru geldiği tahmin ediliyor.

Tünelleme sıklıkla [[Belirsizlik ilkesi|Heisenberg belirsizlik ilkesi]] ve maddenin [[dalga parçacık ikiliği]] kullanılarak açıklanır. Saf kuantum mekanik kavramlar olayın merkezindedir bu yüzden kuantum tüneli kuantum mekaniğinin yeni sonuçlarından biridir.

==Tarih==

Kuantum tüneli 1896 da [[Henri Becquerel]] tarafından keşfedilen [[radyoaktivite]] çalışmalarıyla geliştirilmiştir. Radyoaktivitenin ileriki çalışmaları 1903 yılında [[Nobel Fizik Ödülü]]'nü alan [[Marie Curie]] ve [[Pierre Curie]] tarafından incelenmiştir. [[Ernest Rutherford]] ve [[Egon Schweidler]], daha sonra [[Friedrich Kohlrausch]] tarafından doğrulanmış olan doğası hakkında çalışmıştır. Yarı ömür fikri onların çalışmaları tarafından ortaya konulmuştur.

[[Friedrich Hund]], 1927'de çift kuyu potansiyelinin zemin durumunu incelediği zaman tünelin ilk farkına varandır. Matematikte ilk uygulaması 1928'de [[George Gamow]], [[Ranold Gurney]] ve [[Edward Condon]] tarafından yapılan [[alfa bozunumu]] olmuştur. İki araştırmacı, tünelin matematiksel olasılığının direk olarak ilişkili olduğu parçacığın yarı ömrü ve emilim enerjisinin arasındaki ilişkinin sürümünden ve nükleer potansiyeli için [[Schrödinger denklemi|Schrödinger]]’in denklemini beklenmedik bir şekilde çözmüşlerdir.

[[Dosya:Quantum tunnel effect and its application to the scanning tunneling microscope.ogv|thumb|right|upright=1.5|Animasyon tünel efektini ve onun [[STM mikrokobundaki]] uygulamasını göstermektedir]]

[[Image:TunnelEffektKling1.png|300px|right|thumb|Bariyer boyunca kuantum tüneli. Tüneldeki parçacıkların enerjileri eşit fakat genlikleri giderek azalmakta.]]

 

[[Dosya:Wigner function for tunnelling.ogv|250px|thumb|Faz uzayı formülasyonunda kuantum mekaniği. <math>U(x)=8e^{-0.25 x^2}</math> potensiyel bariyeri için Wigner fonksiyonu (atomik birim). Keskin çizgiler Hamiltonian seviyesi setini göstermektedir.<math>H(x,p) = p^2 / 2 + U(x) </math>.]]

==Tünelleme problemi==

Parçacığın dalga fonksiyonu fiziksel sistemler hakkında bilinen her şeyi özetlemektedir. Buna göre kuantum mekaniğindeki problem sistemin dalga fonksiyonunun analizi etrafından yer bulmaktadır. Kuantum mekaniğinde Schrödinger denklemi gibi matematiksel formulasyonlar kullanılarak dalga fonksiyonları çözülebilir. Bu direk olarak parçacığın pozisyonunun parçacığın her bir anındaki olasılığı olarak tanımlanan öz kütlesine bağlıdır. Büyük bariyerlerin sınırlarında, tünelleme olasılığı büyük ve geniş bariyerler için azalır.

Basit tünelleme bariyer modelleri için, örneğin dikdörtgen şeklindeki bariyerler, analitik sonuçları vardır. Problemler gerçek hayatta gerçek bir çözüme sahip değildirler bu yüzden bu tür problemlere yaklaşık sonuçlar verebilmek için yarı klasik metotlar geliştirilmektedir örneğin WKB yaklaşımı. İhtimaller Feynman’ın yol integral metodu ile seçmeli hassasiyetlerden sürülmektedir- hesaplamalı kaynaklar tarafından kısıtlandırılmış- bu tür hassasiyetler nadiren mühendislik uygulamasını gerektirir.

==İlgili olaylar==

Kuantum tünellemeyle aynı davranışlara sahip ve bu yüzden kolayca tünellemeyle tanımlanabilen birçok çeşitli olay vardır. Örnekler, klasik dalga parçacık iş birliğinin tünellenmesi, fani dalga kavramı(Maxwell denkleminin ışıkta uygulanması) ve bağımsız dala denkleminin dize dalgalar üzerinde uygulanması arasındadır. Fani dalga kavramı bu günlere kadar kuantum mekaniğinde tünelleme olarak adlandırıldı. Günümüzde ise farklı alanlarda kullanılmaktadır.

Bu modeller dikdörtgen bariyerlere benzer modellerle modellenmektedir. Bu tür durumlarda, aynı ve çok yakın sürede dala yayılması olan tek bir ulaştırma ortamı vardır. İkinci ortam ise dalgaların farklı yol izledikleri ortamdır. Bu ortam A ve ortam B’nin arasındaki ince farklılık olarak tanımlanabilir. Schrödinger’in denklemleri göz önünde bulundurularak yapılan dikdörtgen bariyerlerin analizleri A’ya giden dala çözümlerinin dalga denklemleri olarak sağlanabilir fakat gerçek çözüm B’deki üstel çözümüdür.

Optikte, ortam A boşlukken ortam B camdır. Akustikte, ortam S sıvı veya gaz olabilir be ortam B katı olabilir. İki durumda da ortam A parçacığın toplam enerjisinin potansiyel enerjisinden büyük olduğu alandır ve ortam B potansiyel bariyerdir. Bunlar iki yönde de giren ve çıkış yapan dalgalara sahiptir. Birçok ortam ve bariyer olabilir ve bariyerler farklı olmak zorunda değillerdir, yaklaşımlar bu durumda kullanılabilir.

==Uygulamaları==

==Radyoaktif bozunma==

Radyoaktif bozunma parçacıkların ve kararlı ürün oluşturmak için atomun kararsız çekirdeklerinden gelen enerjinin emilmesinin bir sürecidir. Bu olay parçacığın çekirdeğin tünellenmesiyle yapılır.(çekirdeğin içindeki elektron tünellemesi elektron yakalamasıdır.) Bu ilk yaklaşıma izin veren kuantum tünellemesinin ilk uygulamasıdır.

== Anlık DNA mutasyonu==

DNA’nın anlık mutasyonu, proton tünellemesi olarak tanımlanan kuantum mekaniğinde tek protonun yer değiştirmesinden sonra normal DNA nın kopyalanmasıyla meydana gelir. Hidrojen bağları DNA nın normal baz çiftlerine katılır. Potansiyel enerji bariyerleri tarafından ayrıştırılmış hidrojen bağları çift kuyu potansiyellerinde görülür.

Çift kuyu potansiyelinin proton dip kuyuda kalabilsin diye dip kuyu ile asimetrik olduğu bilinmektedir. Mutasyonun gerçekleştirilebilmesi için, protonun sığ potansiyel duvarlarından tünellenmesi gerekmektedir. Protonun düzenli pozisyonundan hareketi tatometrik geçiş olarak tanımlanır. Eğer DNA kopyalanması bu durumda yer alırsa DNA için baz eşleştirme kuralı mutasyona sebep olabilecek bir tehlike oluşturabilir. Per-Olov Lowdin, çift sarmalda( kuantum biyolojisi) anlık DNA mutasyon teorisini geliştiren ilk kişidir. Kuantum tünelleme-indükleme nin biyolojideki diğer örnekleri kanser ve yaşlanmaya neden olduğuna inanılmaktadır.

==Soğuk emisyon==

Elektronların soğuk emisyonu fizikte yarı iletken ve süper iletkenler ile ilgilidir. Elektronların düzensizce metal yüzeyinden akan gerilime doğru atladığı çünkü diğer bariyerlerden sıradan çarpışmalar süresince istatiksel olarak daha çok enerjili oldukları termodinamik emisyon ile benzer şekildedir. Elektrik alan çok büyük olduğu zaman, tünelin atomik durumun dışında olarak elektronlar için yeterli olacak şekilde, akımın yaklaşık olarak elektrik alanla üstel biçimde belirtilebileceği şekilde geçmesine izin verir. Bu materyaller flash bellekler, vakum tüpleri ve elektron mikroskopları için önemlidirler.

==Tünel kavşağı==

Basit bir bariyer iki iletkenin ince bir yalıtkan ile ayrılmasından oluşturulabilir. Bunlar kuantum tünelinin çalışması için gerekli olan tünel kavşaklarıdır. Josephson kavşağı kuantum tünellemesinden fayda sağlar ve bazı yarı iletkenlerin süper iletkenliği Josephson kavşağı için oluşturulur. Güneş pili çoklu kavşağında da olduğu gibi bu manyetik alan ve hassas voltaj ölçümlerinde birçok uygulamaya sahiptir.

==Tünel diyotu==

Diyotlar elektrik akımının diğer yönlerden daha çok bir yöne gitmesini sağlayan elektrikli yarıiletken alettir. Bu alet amacına yönelik hizmet vermek için N tipi ve P tipi yarı iletken katmanlar arasındaki tükenme tabakasına dayanır. Bu ikisinin tükenme tabakasına ağır katkısı olduğu zaman tükenme tabaksı tünelleme için yeterince ince olabilir. Tünellemenin öneminden dolayı küçük bir sapma akıma uygulanır. Bunun maksimum enerjiye sahip olduğu yerde örneğin p ve n iletkenleri bağlar aynıdır. Gerilim arttıkça artık iletken bağlar sıralanamaz ve diyot tipik bir şekilde davranır.

Tünellenen akım hızlı şekilde aktığından dolayı, tünel diyotları gerilim aralığı artıp azalacak olan aralığa göre düzenlenir. Bu özellik bazı uygulamalarda kullanılır örneğin karakteristik tünelleme ihtimali gerilimin değişmesiyle değişir.

Rezonans tünelleme diyotu kuantum tünellemesini birçok benzer sonuçlara ulaşmak için de kullanılır. Diyot gerilimin ilerlemesi için fazla akımın bulunduğu yüksek enerjili iletkenlerin yan yana olduğu rezonans gerilimine de sahiptir. Bu en düşük enerji seviyesini gösteren kuantum potansiyel duvarını yaratır. Bu enerji elektronların enerjisinden daha yüksek olduğu zaman tünnelleme gerçekleşmez. İki gerilim enerjisinin hizalandığı anda elektronlar açık kablodaymış gibi akmaya başlar. Gerilim yükselirken tünelleme olanak dışı olmaya başlar ve ikinci enerji seviyesi farkedilebilir hale gelene kader diyot normal şekilde davranır.

== Tünel-alan transistörü==

Avrupa araştırma projesi kuantum tünellemesi ile kontrol edilen kanaların olduğu transistörün termal enjeksiyonlardan daha etkili bir alanı olduğunu gösterdi. Kanal gerilimini 1 volttan 0.2 volta ve güç tüketimini 100 kat daha azalttı. Eğer bu transistörler VLSI çipleri içinde büyütülürse performanslarını çok daha fazla geliştiriceklerdir.

==Kuantum iletkenlikleri==

Elektrik iletkenliğinin Drude modeli iletken metaldeki elektronların yapısı hakkında mükemmel tahminler yaparken, elektron çarpışmalarının doğasını anlamak için kuantum tünellemesi genişletilerek kullanılabilir. Serbest elektron paketleri bir dizi düzensiz dizilmiş bariyerle karşılaştığında %100 aktarma gerçekleşsin diye tüm bariyerler arasında bir müdahale olur. Teori şöyle söyler eğer dikdörtgen dizideki pozitif yüklü çekirdek metal boyunca tünnelencek serbest elektronlar yüksek derece de iletkenliğe izin verirler ve bu tür kirlilikler metali önemli derece de bozar.

==Taramalı tünelleme mikroskobu==

Taramalı tünelleme mikroskobu Gerd Binnig vr Heinrich Rohrer tarafından icat edilmiştir. Metal üzerindeki her bir atomu bireysel olarak gözlemleye izin verir. Uzaklık ile kuantum tünelleme arasındaki ilişkiden yararlanılarak kullanılır. Taramalı tünelleme mikroskobunun ucu iletken yüzeye çok yakın tutulduğu zaman, iğne ve yüzey arasındaki tünelleme elektron akımı ölçülerek bulunablir. Üzerine fazla miktarda gerilim uygulandığında ucunu aşabilen Piezoelektirk çubuk kullanılarak tünelleme akımını sabit bir düzeyde tutulabilir. Bu çubuklara uygulanabilen zamanla değişebilen gerilim kayıt edilebilir ve iletken yüzey fotoğraflanabilir. Taramalı tünelleme mikroskoplarının doğrulukları 0.001&nbsp;nm veya %1 atomik yarıçaptadır.

==Işıktan hızlı==

Dönen sıfır parçacıkları için tünelleme anındaki seyahat ışık hızından fazla olacaktır. Görünüşe göre parçacığın ayrılmadan önce referans noktasına varacağı için nedensellik ilkesinin ihlali söz konusudur. Ancak dikkatle yapılan dalga paketlerinin aktarımının analizleri aslında görecelik ilkesinin ihlalinin olmadığını göstermektedir. 1988 de Francis E. Low sıfır zaman tünellemesini tekrar gözden geçirmiştir. Günümüzde yapılan fononlar, fotonlar ve elektronların deneysel tünellenmelerinin verileri Günter Nimtz tarafından yayınlanmıştır.

==Kuantum tünellemesinin matematiksel yorumu==

Aşağıdaki altbölümler kuantum tünellemesinin matematiksel formüllerini tartışmaktadır.

==Schrödinger Denklemi==

Tek boyutta zamandan bağımsız bir parçacık için Schrödinger denklemi şöyle yazılabilir

:<math>\frac{d^2}{dx^2} \Psi(x) = \frac{2m}{\hbar^2} M(x) \Psi(x) = {\kappa}^2 \Psi(x), \;\;\;\;\;\; \mathrm{where} \;\;\; {\kappa}^2= \frac{2m}{\hbar^2} M. </math>

Bu denklemin çözümü fani dalgalarda artan ya da azalan üstel yapıda olabilir. M(x) in pozisyon ile alakalı olduğu durumlarda, M(x) in pozitif veya negatif olmasına bağlı olarak aynı farklılıklar meydana gelir. Ardından M(x) in işareti ortamı belirler. Pozitif M(x) için ortam A tanımlanırken, negatif M(x) için ortam B tanımlanır. Bundan dolayı eğer pozitif M(x) in alanı iki negatif M(x)in alanı arasında sıkıştırılmışsa fani dalga kuramı oluşur ve bu da potansiyel bariyer yaratır.

Bu olay M(x) in x e bağlı çok karmaşık durumlarda olduğu matematikte, bazı özel durumlar hariç, fiziksel gerçekçilikte karşılık bulamamaktadır. Yarı klasik metotların fizik kitaplarında olduğu gibi tartışımı diğer bölümde verilecektir. Tamamı ile ve karmaşık matematiksel işlemler 1965 yılında Fröman tarafından ortaya çıkmıştır. Fikirleri fizik kitaplarında anonim değildir fakat düzeltmeleri nicel efektler taşır.

==WKB yaklaşımı==

Dalga fonksiyonu üstel bir fonksiyon olarak açıklanır.

Dikdörtgen bariyer için bu açıklama şöyle ifadelenmiştir:

:<math>T(E) = e^{-2\sqrt{\frac{2m}{\hbar}(V_0-E)}(x_2-x_1)} = \tilde V_0^{-(x_2-x_1)}</math>.

==Ayrıca bakınız==

* [[Dielectric barrier discharge]]

* [http://nanohub.org/resources/8799 Animated illustration of quantum tunnelling in a RTD device]

 

[[Kategori:Parçacık fiziği]]

[[Kategori:Katı hal mühendisliği]]

[[Kategori:Video klibi içeren makaleler]]