ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

გვირაბული ეფექტი  - ტუნელირილება

პოტენციურ ბარიერზე მიმართული ელექტრონული სხივის ანარეკლი და გვირაბი. ბარიერის მარჯვნივ მოსაწყენი ადგილი არის ელექტრონები, რომლებმაც გაიარეს ბარიერი. გაითვალისწინეთ ჩარევა ინციდენტსა და ასახულ ტალღებს შორის.

პოტენციური ბარიერის გადალახვა მიკრონაწილაკით იმ შემთხვევაში, როდესაც მისი მთლიანი ენერგია (რომელიც უცვლელი რჩება გვირაბის გაყვანისას) ბარიერის სიმაღლეზე ნაკლებია. გვირაბის ეფექტი არის ექსკლუზიურად კვანტური ბუნების ფენომენი, რომელიც შეუძლებელია კლასიკურ მექანიკაში და სრულიად ეწინააღმდეგება მას. ტალღის ოპტიკაში გვირაბის ეფექტის ანალოგი შეიძლება იყოს სინათლის ტალღის შეღწევა ამრეკლავ გარემოში (შუქის ტალღის სიგრძის რიგის დისტანციებზე) იმ პირობებში, როდესაც, გეომეტრიული ოპტიკის თვალსაზრისით, ხდება მთლიანი შიდა არეკვლა. . გვირაბის ფენომენი საფუძვლად უდევს ბევრ მნიშვნელოვან პროცესს ატომურ და მოლეკულურ ფიზიკაში, ატომის ბირთვის ფიზიკაში, მყარ მდგომარეობაში და ა.შ.

იხ. ვიდდეო - Туннельный эффект | Квантовое туннелирование - Можете ли вы представить, что предмет или даже живое существо способно проходить сквозь стены? Разумеется, большинство из нас ответит, что это ненаучно и, конечно же, невозможно. Однако, как известно, в квантовой механике события происходят совсем не так как в классической ньютоновской системе. 

  Мир квантовой физики не подчиняется законам обычного мира, он настолько странный, что больше походит на мир чудес Льюиса Кэрролла, в котором путешествовала знаменитая Алиса. Базовые элементы материи – элементарные частицы ведут себя совершенно непредсказуемым образом: они могут возникать из ничего, так же внезапно исчезать и находиться в двух местах одновременно.

   Поэтому, в микромире частицы, например фотон или электрон, постоянно нарушают принципы привычного нам мира и могут проходить через потенциальный барьер. Этот типично квантовый эффект, называемый квантовым туннелированием, связан с корпускулярно-волновым дуализмом и принципом неопределённости Гейзенберга. 

   Понимать квантовое туннелирование следует как способ, с помощью которого частицы, находящиеся сначала по одну сторону барьера, попадают на другую его сторону, точнее, в буквальном смысле – «просачиваются». Под «барьером» подразумевается физически непреодолимый (без необходимого количества энергии) участок пространства, условно напоминающий силовое поле из научно-фантастических блокбастеров.

   Для того чтобы понять сам процесс, необходимо вспомнить, что в квантовой механике частица описывается не с помощью физических величин, а через волновую функцию, которая связана всего лишь с вероятностью местонахождения частицы в определенной точке пространства в каждую конкретную единицу времени.....

წარმოგიდგენიათ, რომ საგანს ან თუნდაც ცოცხალ არსებას შეუძლია კედლებში გავლა? რა თქმა უნდა, უმეტესობა უპასუხებს, რომ ეს არამეცნიერული და, რა თქმა უნდა, შეუძლებელია. თუმცა, როგორც ცნობილია, კვანტურ მექანიკაში მოვლენები საერთოდ არ ხდება ისე, როგორც კლასიკური ნიუტონის სისტემაში.

   კვანტური ფიზიკის სამყარო არ ემორჩილება ჩვეულებრივი სამყაროს კანონებს, ის იმდენად უცნაურია, რომ უფრო ჰგავს ლუის კეროლის სასწაულთა სამყაროს, რომელშიც ცნობილი ალისა იმოგზაურა. მატერიის ძირითადი ელემენტები - ელემენტარული ნაწილაკები იქცევიან სრულიად არაპროგნოზირებად: ისინი შეიძლება გამოჩნდნენ არაფრისგან, ისევე მოულოდნელად გაქრეს და ერთდროულად იყვნენ ორ ადგილას.

    ამიტომ მიკროსამყაროში ნაწილაკები, როგორიცაა ფოტონი ან ელექტრონი, მუდმივად არღვევენ ჩვენთვის ნაცნობ სამყაროს პრინციპებს და შეუძლიათ პოტენციური ბარიერის გავლა. ეს ტიპიური კვანტური ეფექტი, რომელსაც კვანტური გვირაბი ეწოდება, დაკავშირებულია ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობასთან და ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპთან.

    კვანტური გვირაბი უნდა გვესმოდეს, როგორც გზა, რომლითაც ნაწილაკები, რომლებიც ჯერ ბარიერის ერთ მხარეს ხვდებიან მის მეორე მხარეს, უფრო ზუსტად, პირდაპირი გაგებით - „გაჟონავს“. „ბარიერში“ იგულისხმება სივრცის ფიზიკურად გადაულახავი (აუცილებელი ენერგიის გარეშე) მონაკვეთი, რომელიც პირობითად წააგავს სამეცნიერო ფანტასტიკურ ბლოკბასტერების ძალის ველს.

    თავად პროცესის გასაგებად, უნდა გვახსოვდეს, რომ კვანტურ მექანიკაში ნაწილაკი აღწერილია არა ფიზიკური რაოდენობების დახმარებით, არამედ ტალღური ფუნქციის საშუალებით, რომელიც დაკავშირებულია მხოლოდ ნაწილაკების გარკვეულ წერტილში ყოფნის ალბათობასთან. სივრცეში დროის თითოეულ კონკრეტულ ერთეულში.... . - 

Can you imagine that an object or even a living being is able to pass through walls? Of course, most of us will answer that this is unscientific and, of course, impossible. However, as is known, events in quantum mechanics do not happen at all like in the classical Newtonian system.

   The world of quantum physics does not obey the laws of the ordinary world, it is so strange that it looks more like the world of miracles of Lewis Carroll, in which the famous Alice traveled. The basic elements of matter - elementary particles behave in a completely unpredictable way: they can appear from nothing, just as suddenly disappear and be in two places at the same time.

    Therefore, in the microcosm, particles, such as a photon or an electron, constantly violate the principles of the world familiar to us and can pass through a potential barrier. This typically quantum effect, called quantum tunneling, is related to wave-particle duality and Heisenberg's uncertainty principle.

    Quantum tunneling should be understood as a way by which particles that are first on one side of the barrier get to its other side, more precisely, in a literal sense - “leak through”. By “barrier” is meant a physically insurmountable (without the necessary amount of energy) section of space, conditionally resembling a force field from sci-fi blockbusters.

    In order to understand the process itself, it is necessary to remember that in quantum mechanics a particle is described not with the help of physical quantities, but through a wave function, which is associated only with the probability of the particle being at a certain point in space in each specific unit of time.... .

ისტორია და მკვლევარები

გვირაბის ეფექტის აღმოჩენას წინ უძღოდა ა.ბეკერელის აღმოჩენა 1896 წელს რადიოაქტიური დაშლის შესახებ, რომლის შესწავლა გააგრძელეს მეუღლეებმა მარი და პიერ კიური, რომლებმაც მიიღეს ნობელის პრემია კვლევისთვის 1903 წელს. მომდევნო ათწლეულში მათი კვლევის საფუძველზე ჩამოყალიბდა რადიოაქტიური ნახევარგამოყოფის თეორია, რომელიც მალევე დადასტურდა ექსპერიმენტულად.

ამავდროულად, 1901 წელს ახალგაზრდა მეცნიერმა რობერტ ფრენსის ერჰარტმა, რომელიც ინტერფერომეტრით იკვლევდა აირების ქცევას ელექტროდებს შორის სხვადასხვა რეჟიმში, მოულოდნელად მიიღო აუხსნელი მონაცემები. ცდების შედეგებს რომ გაეცნო, ცნობილმა მეცნიერმა დ. ტომსონმა შესთავაზა, რომ აქ ჯერ კიდევ აუწერელი კანონი მოქმედებს და მეცნიერებს შემდგომი კვლევისთვის მოუწოდა. 1911 და 1914 წლებში, მისმა ერთ-ერთმა კურსდამთავრებულმა, ფრანც როტერმა, გაიმეორა ერჰარტის ექსპერიმენტი, ინტერფერომეტრის ნაცვლად გაზომვისთვის უფრო მგრძნობიარე გალვანომეტრი გამოიყენა და აუცილებლად ჩაწერა ელექტროდებს შორის წარმოქმნილი აუხსნელი სტაციონარული ელექტრონების ველი. 1926 წელს იგივე როზერმა ექსპერიმენტში გამოიყენა უახლესი გალვანომეტრი 26 pA მგრძნობელობით და დააფიქსირა ელექტრონების ემისიის სტაციონარული ველი, რომელიც ხდება მჭიდროდ დაშორებულ ელექტროდებს შორის ღრმა ვაკუუმშიც კი .

1927 წელს გერმანელი ფიზიკოსი ფრიდრიხ ჰუნდი გახდა პირველი, ვინც მათემატიკურად გამოავლინა "გვირაბის ეფექტი" დანარჩენი ორმაგი ჭაბურღილის პოტენციალის გამოთვლაში . იმავე წელს, ლეონიდ მანდელშტამმა და მიხაილ ლეონტოვიჩმა, გააანალიზეს შრედინგერის ტალღის მაშინდელი "ახალი" განტოლების შედეგები, დამოუკიდებლად გამოაქვეყნეს ნაშრომი, სადაც მათ წარმოადგინეს ამ ფენომენის უფრო ზოგადი მოსაზრება. 1928 წელს, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, გვირაბის ეფექტის ფორმულები გამოიყენეს რუსმა მეცნიერმა გეორგი გამოვმა (რომელმაც იცოდა მანდელშტამისა და ლეონტოვიჩის აღმოჩენების შესახებ) და ამერიკელმა მეცნიერებმა რონალდ გურნიმ[en] და ედვარდ კონდონმა ქ. ალფა დაშლის თეორიის შემუშავება. ორივე კვლევამ ერთდროულად გადაჭრა შროდინგერის განტოლება ბირთვული პოტენციალის მოდელისთვის და მათემატიკურად დაასაბუთა კავშირი ნაწილაკების რადიოაქტიური ნახევარგამოყოფის პერიოდსა და მათ რადიოაქტიურ ემისიას, გვირაბების ალბათობას შორის.

გამოვის სემინარზე დასწრების შემდეგ, გერმანელმა მეცნიერმა მაქს ბორნმა წარმატებით განავითარა თავისი თეორია და ვარაუდობს, რომ "გვირაბის ეფექტი" არ შემოიფარგლება მხოლოდ ბირთვული ფიზიკის სფეროთი, არამედ აქვს ბევრად უფრო ფართო ეფექტი, რადგან ის წარმოიქმნება კვანტური მექანიკის და კანონების მიხედვით. ამდენად, გამოიყენება მრავალი სხვა სისტემის ფენომენის აღსაწერად. მეტალიდან ვაკუუმში ავტონომიური ემისიით, მაგალითად, იმავე 1928 წელს ჩამოყალიბებული "ფაულერ-ნორდჰაიმის კანონის" მიხედვით.

1957 წელს ნახევარგამტარების შესწავლამ, ტრანზისტორისა და დიოდური ტექნოლოგიების განვითარებამ გამოიწვია მექანიკურ ნაწილაკებში ელექტრონული გვირაბის აღმოჩენა. 1973 წელს ამერიკელმა დევიდ ჯოზეფსონმა მიიღო ნობელის პრემია ფიზიკაში "გვირაბის ბარიერის გავლით ზეგამტარი დენის თვისებების თეორიული პროგნოზირებისთვის", იაპონელ ლეო ესაკთან და ნორვეგიელ ივარ გივერთან ერთად "გვირაბის ექსპერიმენტული აღმოჩენებისთვის. ფენომენები ნახევარგამტარებში და ზეგამტარებში, შესაბამისად“. 2016 წელს ასევე აღმოაჩინეს "წყლის კვანტური გვირაბი".

იხ. ვიდეო - What is Quantum Tunneling?