Квантовое туннелирование — это эффект, при котором квантовые частицы могут проходить через барьеры, высота которых больше, чем энергия частиц.

Предположим, есть бильярдный шарик, который катится по плоскости, а перед ним холм. С точки зрения классической механики необходимо узнать энергию катящегося шарика и сравнить ее с потенциальной энергией, которая будет у него на вершине этого холма. Если энергия шарика недостаточная, то он не сможет перекатиться через холм. В случае квантового туннелирования у квантовой частицы есть вероятность преодолеть такой холмик. Разумеется, это сравнение приведено исключительно для того, чтобы читателям было легче понять термин. На самом деле в квантовой физике все частицы одновременно являются и волнами. Это означает, что они не локализованы в пространстве с абсолютной точностью, а распространены в некоторой области, в том числе классически запрещенной, то есть в области, находиться в которой классической частице запрещает закон сохранения энергии.

Иными словами, если этот гипотетический шарик квантовый, то, когда он подкатывается к холму, есть небольшая вероятность обнаружить его и внутри холма, и за холмом. При этом не совсем корректно говорить о времени туннелирования. Лучше сказать, что в какой-то момент он находился слева от холма, а по истечении определенного промежутка времени попал на другую сторону. Любое вмешательство в квантовой механике сбивает систему, поэтому если слишком пристально следить за шариком и пытаться определить его местоположение в каждый момент времени, где же он находится, то, скорее всего, он не протуннелируется никогда.

Открытие явления квантового туннелирования

Впервые на то, что для описания экспериментально наблюдаемых эффектов необходимо использовать понятие туннелирования, обратил внимание советский физик Георгий Гамов. Фридрих Хунд и еще несколько ученых до Гамова ввели понятие туннелирования на уровне абстрактных идей в духе: «Если частица движется в потенциале…» Гамов первым использовал понятие туннелирования для объяснения реального эксперимента. Речь шла об описании уже известных на тот момент свойств альфа-распада тяжелых ядер. В тот период времени закономерность, при которой изотопы материала распадаются с испусканием альфа-частиц, не имела объяснения. У тяжелых ядер одного и того же элемента может быть много изотопов. Часто оказывается, что несколько из них нестабильны относительно альфа-распада, при этом время жизни разных изотопов сильно различается. Существует некоторая простая формула, связывающая энергию, с которой вылетает частица при распаде данного изотопа, и его период полураспада. Гамов понял, что можно представить процесс распада как преодоление альфа-частицей кулоновского барьера, того самого холмика, которое осуществляется туннельным образом. И если записать формулу, определяющую вероятность туннельного эффекта в квазиклассическом приближении (метод, при котором квантовое и классическое описания движения частицы дают похожие результаты), то получается легко объяснить то, что наблюдается в эксперименте. Это не только объяснило явление квантового туннелирования, но и дало понимание, что ядерная материя хорошо описывается квантово-механическими уравнениями. Кроме того, точность полученных уравнений позволяла уже тогда оценить размер ядра.

Макроскопическое туннелирование

Нельзя однозначно ответить на вопрос, проявляется ли туннелирование на макроскопическом уровне. Это зависит от того, что понимать под самим термином. Если рассуждать о туннелировании каких-то частиц с конечной массой, то это неосуществимо, потому как вероятность туннелирования быстро спадает с ростом ширины барьера и массы объекта, который его преодолевает. Практически невозможно заставить туннелировать что-то большее, чем атом, на расстояние, которое больше, чем микрон. С другой стороны, существуют безмассовые частицы, например фотоны, а также макроскопические устройства, в которых они проходят через классически запрещенные щели. В радиофизике говорят о скин-эффекте, в оптике — о затухающем поле, которое не распространяется как электромагнитная волна, но его энергия пространственно сосредоточена в непосредственной близости от источника. Волна попадает на границу раздела двух сред, в одной из которых не может распространяться, но частично проникает за счет волновых свойств поля. Такое явление мы можем наблюдать даже в быту. Например, золото непрозрачно, однако из него легко сделать очень тонкую фольгу толщиной на уровне микрон. Эта фольга способна пропускать свет, и таким образом происходит туннелирование фотонов.

Отличие квантового туннелирования от телепортации

Стоит сказать, что эти явления похожи только лексически. Дело в том, что квантовая телепортация и фантастическая совершенно разные. Если в фантастических книгах идет речь о мгновенном внепространственном перемещении материальных тел, то квантовая телепортация — это перемещение квантовой информации с одного носителя на другой. В квантовой теории существует фундаментальная теорема о запрете клонирования квантового состояния: если есть квантовая система, находящаяся в каком-то состоянии, то нельзя привести другую систему в точно такое же состояние, не разрушив первое. Условно говоря, нельзя изготовить клон этой системы. Квантовая телепортация — это технология, которая позволяет сделать клон, уничтожив оригинал. Квантовая информация переходит от одного носителя к другому. Материальные объекты при этом не переносятся из точки в точку — это не имеет отношения к туннелированию.

Рекомендуем по этой теме:
21037
Квантовая телепортация

Перспективы применения

Эффект квантового туннелирования применяется в некоторых электронных устройствах, например во флешках, где информация хранится как наличие или отсутствие заряда в объеме диэлектрика, оксида кремния. Для того чтобы этот заряд оттуда убрать, используется эффект туннелирования. К диэлектрику прикладывают внешнее поле, эффективно уменьшая величину барьера между толщей оксида и проводящими слоями чипа. То есть система приводится в состояние, когда электроны из толщи диэлектрика могут туннелировать во внешние цепи, и таким образом информация стирается. Это, кстати, ответ на вопрос о том, почему запись на флешку, как правило, происходит дольше, чем считывание. На самом деле запись происходит быстро, но перед этим необходимо стереть ранее записанную информацию в ячейки памяти. Приходится ждать, пока все электроны переместятся.

Для определения вероятности туннелирования существует формула, содержащая экспоненту, то есть функцию, которая падает, если аргумент растет. В показателе экспоненты — в том, от чего она зависит, — есть масса частицы, высота и ширина преодолеваемого барьера. Как только один из этих показателей увеличивается, вероятность туннелирования резко падает. Конечно, нам, живущим в мире классической физики, эффект туннелирования достаточно сложно понять, однако это одно из главных проявлений квантовой природы тех или иных явлений.