Antytunelowanie

Świat kwantów mimo wieku ponad 100 lat dalej wprawia naukowców w osłupienie.

Każdy student fizyki musi przejść w czasie swojej edukacji mniej lub bardziej skomplikowany kurs mechaniki kwantowej. Teoria ta, której początki sięgają przełomu XIX i XX wieku odcisnęła ogromne piętno na współczesnej fizyce, chemii i technologii. Oprócz tego, że pozwoliła wyjaśnić wiele zjawisk, mechanika kwantowa i świat kwantów wyróżnia się jedną ciekawą cechą – mimo wieku ponad 100 lat dalej wprawia naukowców w osłupienie.

Znajomy profesor fizyki teoretycznej zwykł swoim studentom tłumaczyć prawa przyrody na przykładzie zwierząt w ZOO. Omawiając problem opisanego ostatnio przez naukowców z Universidad de Grenada (Hiszpania), Uniwersytetu w Helsinkach (Finlandia) i Rutgers University (USA) zjawiska antytunelowania użyć można podobnych opisów. Wyobraźmy sobie wybieg dla tygrysów w ZOO „zwykłym” i w ZOO „kwantowym” – jak można je zabezpieczyć, by drapieżniki nie mogły zrobić krzywdy zwiedzającym? Najlogiczniej byłoby wybudować odpowiednie ogrodzenie. Gdyby jednak zwierzęta naprawę miały ochotę skosztować przechodnia? „Zwykły” tygrys ma jedną możliwość – wziąć duży rozbieg i przeskoczyć ponad płotem by nie trafić w ogrodzenie (inaczej – uzyskać wystarczająco dużą energię by pokonać barierę potencjału - ogrodzenie).  Jego „kwantowy” odpowiednik ma już do dyspozycji dwie możliwości – może zarówno przeskoczyć przez ogrodzenie, mając odpowiednio dużą energię na pokonanie tej „bariery potencjału”. Może także, dzięki mechanice kwantowej, „przetunelować” na drugą stronę ogrodzenia, mimo że nie ma wystarczającej na to energii. „Kwantowy” tygrys może z pewnym prawdopodobieństwem przejść przez barierę, mimo zbyt małej energii. Efekt ten, wykorzystywany m.in. w urządzeniach elektronicznych nosi nazwę tunelowania.
    
A gdyby tak zamiast płotu odgrodzić wybieg głębokim rowem? „Zwykły” tygrys znowu ma jedną możliwość – uzyskując odpowiednio dużą energię przeskoczyć ponad dołem, w innym wypadku wyląduje na jego dnie. Okazuje się jednak, że i tak ma łatwiej niż jego „kwantowy” odpowiednik. Drugi tygrys również może wziąć odpowiedni rozpęd, nabrać energii i przeskoczyć ponad przeszkodą.  Gdy jednak energia będzie za mała może się okazać, że tygrys... odbije się od krawędzi rowu!
    
Lecąca cząstka, podobnie jak tygrys, gdy natrafia na „schodek” spadku potencjału może się od niego odbić niemal jak piłeczka golfowa, która zamiast wpaść do dołka, zawraca tuż na jego krawędzi. Pedro Garrido (Grenada) wraz ze swoimi współpracownikami przeprowadził dokładne analizy numeryczne mające wykluczyć ewentualną możliwość, że zjawisko to jest pozostałością po  wcześniejszych, błędnych założeniach. Wynikiem było potwierdzenie możliwości zaistnienia takiego zjawiska, nazwanego antytunelowaniem. „Uroczym paradoksem” nazwał natomiast to zjawisko David Griffiths, autor podręcznika do mechaniki kwantowej.
    
Możliwe jest wykorzystanie antytunelowania w urządzeniach do pułapkowania atomów bądź w zaawansowanych technologicznie układach elektronicznych. Samo zjawisko jest jednak na tyle nowe i ciekawe, że pewnie nieprędko pojawią się pierwsze aplikacje z jego wykorzystaniem.


Marcin Perzanowski