تونل زنی کوانتومی!

[∆ MeRzaD ∆]

تخته سنگ بزرگی را در نظر بگیرید که به ته دره ای سقوط کرده و مدت هاست که در همان جا مانده است. چقدر تعجب می کنید اگر ببینید تخته سنگ بطور خود به خود انرژی گرفته و ناگهان شروع به بالا رفتن از دامنه دره کرده و در نهایت با خروج از دره به آن سوی دامنه کوه بغلتد. شاید باور کردنی نباشد اما مشابه چنین رویدادی به طور طبیعی به وفور در دنیای اسرار آمیز کوانتومی رخ می دهد!

در فیزیک کلاسیک تخته سنگ  از بالای تپه عبور داده می شود اما در فیزیک کوانتوم برای عبور تخته سنگ میان تپه تونل زنی صورت می گیرد.

در این پدیده که اصطلاحا « تونل زنی کوانتومی » نامیده می شود یک ذره کوانتومی که پشت یک سد پتانسیل گیر افتاده و از نگاه فیزیک کلاسیک ، انرژی و امکان لازم برای عبور از مانع مزبور ندارد ممکن است براساس رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ بتواند بطور موقت انرژی گرفته و ناگهان از مانع یا سد مقابل خود عبور کند و آن سوی آن برود. براساس معادله شرودینگر هر چه ارتفاع و عرض این مانع کمتر باشد احتمال عبور ذره مزبور از میان آن بیشتر خواهد بود.
وجود پدیده اسرار آمیز تونل زنی کوانتومی برای نخستین بار در سال 1927 میلادی توسط یک فیزیکدان آلمانی بنام فردریک هاند کشف شد. هنوز یک سال بیشتر از این کشف مهم نگذشته بود که فیزیکدان دیگری بنام جرج گاموف موفق شد بر مبنای همین پدیده شگفت انگیز معمای چگونگی گسیل ذرات آلفا از هسته های رادیواکتیو پرتو زا را حل کند. محاسبات گاموف نشان می داد که چگونه ذرانت آلفا به رغم نداشتن انرژی لازم برای رسیدن به قله سد پتانسل هسته اتمی می توانند با تونل زدن از میان این سد پتانسیل، از درون هسته اتمی فرار کرده و به بیرون هسته پرتاب شوند.

با گذشت زمان و با پیشرفت صورت گرفته در فیزیک هسته ای، فیزیک اتمی و فیزیک حالت جامد مشخص شد که پدیده تونل زنی کوانتومی در عرصه های بسیار مختلف و متعددی – از واکنش های گرما هسته ای در قلب خورشید و سایر ستارگان گرفته تا برخی پدیده های مرتبط با ابر رسانایی در جامدات- نقش ایفا می کند. در سال 1958 میلادی یک فیزیکدان ژاپنی بنام لئو ازاکی یک نوع دیود بنام « دیود تونلی » را که بر مبنای پدیده تونل زنی الکترون ها در نیمه رساناها کار می کرد در مرکز تحقیقات شرکت سونی ژاپن اختراع کرد. این دیود به واسطه عملکرد بسیار سریع خود از وقوع پدیده تونل زنی کوانتومی در نقطه اتصال دو سیم ابر رسانا پرده برداشت. در این پدیده شگفت انگیز، بدون اعمال هیچ ولتاژ خارجی، یک جریان الکتریکی دائمی در مدار ابررسانای مزبور ایجاد می شود. اتصادلات جوزفسون در ساخت دستگاه های اندازه گیری بسیار دقیق میدان های مغناطیسی کاربرد دارند. به مناسبت این دستاوردهای مهم مبتنی بر پدیده تونل زنی کوانتومی ، ازاکی و جوزفسون مشترکا جایزه نوبل سال 1973 فیزیک را دریافت کردند.

البته شگفتی پدیده تونل زنی کوانتومی به همین جا ختم نمی شود؛ چرا که بعنوان مثال در اوایل دهه 1980 میلادی پژوهشگران IBM با استفاده از همین پدیده ، میکروسکوپ ویژه ای را ساختند که امکان مشاهده تک تک اتم ها را برای بشر فراهم کرد. اما شگفت انگیز تر از همه اینها کشف فیزیکدانی بنام توماس هارتمن در مورد پدیده تونل زنی کوانتومی است. هارتمن در سال 1962 کشف کرد که تونل زنی ذرات کوانتومی از میان یک سد پتانسل- فارغ از پهنای این سد – همواره بطور لحظه ای و آنی صورت می گیرد و این بدان معناست که ذرات کوانتومی حین تونل زدن حتی مرز حیرت انگیز سرعت نور زا هم می شکنند!