Kuantum tünelleme bir kuantum mekanik olgudur; bir
partikülün, kendi kinetik enerjisinden daha yüksek potansiyel enerjiye sahip
bir bariyere nüfuz edebilmesini veya içinden geçebilmesini tanımlar.
Mikroskobik partiküllerin bu inanılmaz özelliği, radyoaktif bozunma gibi,
çeşitli fiziksel fenomenin açıklanmasında önemli roller oynar.
Dalga-partikül
ikiliğinin sonuçlarından biri ‘tünelleme’ denilen olgudur. Klasik fiziğe göre
bir obje bir bariyeri (potansiyel engeli), ancak onun üstünden atlayabilecek
kadar enerjiye sahip olduğunda geçebilir. Objenin sahip olduğu enerji
gerekenden daha az olduğunda bariyerin diğer tarafında bulunabilme olasılığı
sıfırdır. Kuantum fiziğine göre ise bu koşullardaki objenin bariyeri geçerek
karşı tarafa ulalşabilmesi olsalığı vardır. Mecazi olarak partikülün bir ‘sanal
tünel’den geçerek karşı tarafa ulaştığı hayal edilebilir (Şekil).
Bir tünel etkisinin
olabilmesi için bariyerin kalınlığı (enerji potansiyeli gibi) partikülün dalga
boyuyla kıyasanabilir değerlerde olmalıdır, ve dolayısıyla bu etki sadece
nanometre seviyelerde gözlenebilir. Yani, elektron (veya kuantum) tünellemeye
düşük kinetik enerjili bir partikülün (bir elektron), klasik mekaniğin temel
kanunlarını aşarak, yüksek potansiyel enerjili bir enerji bariyerinin diğer
tarafında bulunabilmesi halinde ulaşılır. Tünelleme, bir elektronun klasik
olarak yasaklanmış bir enerji bölgesine penetrasyonudur (delme).
Bir kuantum partikülün bir bariyerden tünel açabilmesi için
üç koşul sayılabilir:
·
Bariyerin yüksekliği sonlu olmalı ve kalınlığı
fazla olmamalıdır.
·
Bariyerin potansiyel enerjisi (V) >
partikülün kinetik enerjisi (E) olmalıdır.
·
Bariyere nüfuz edebilmesi partikülün dalga
özelliğinden ileri gelir (dalga fonksiyonu); yani kuantum tünelleme protonlar
ve elektronlar gibi mikroskobik objelere uygulanabilir, fakat, makroskobik
objeler için geçerli değildir.
Tünelleme, temel kuantum etkisidir ve nanoyapılı yüzeylerin
görüntülenmesinde kullanılan çok önemli bir enstrüman “taramalı tünelleme
mikroskobun (STM)” temelini oluşturur.
Tünellemenin şematik tanımı
Kuantum sınırlama (confinement): Bir nanomalzemedeki (bir metal gibi) elektronlar,
kütle malzemede olduğu gibi serbest hareket edemezler, boşlukta (uzayda)
engellenmişlerdir.
Enerjinin Kuantizasyonu: Elektronlar sadece ayrık enerji seviyelerinde
bulunabilirler. Kuantum dotlar enerji kuantizasyonu (izin verilen enerji)
etkisi gösteren nanomalzemelerdir.
Rastgele Moleküler Hareket: Moleküller içerdikleri kinetik enerji nedeni
ile hareket ederler; buna rastgele moleküler hareket denir. Makroskalada bu
hareket, objelerin boyutuyla kıyaslandığında çok küçüktür ve objenin nasıl
hareket edeceğini etkilemez. Nanoskalada ise moleküllerin hareketleri
partikülün boyutuyla aynı skalada olabilir ve partikülün davranışını önemli
derecede etkiler. Rastgele kinetik harekete olarak Brownianhareketi
gösterilebilir.
Tünel Bağlantısı: Elektronik/spintronikte, bir
tünel bağlantısı (kavşağı), elektrik ileten iki malzeme arasındaki ince bir
yalıtım katmanı veya elektrik potansiyeli gibi bir bariyerdir. Kuantum
tünelleme işlemiyle elektronlar (veya quasipartiküller) bariyerden geçer.
Klasik olarak, elektronun bariyeri geçme olasılığı sıfırdır. Bununla birlikte,
kuantum mekaniğine göre, elektron bariyerinde sıfır olmayan bir dalga genliğine
sahiptir ve dolayısıyla bariyerden geçme olasılığı vardır.
Bir bariyerden geçen bir elektronun şematik
gösterimi
(bant diyagramına benzer)
(bant diyagramına benzer)
