Penerowongan Kuantum dan Penetrasi Penghalang

Penerowongan kuantum adalah kemampuan partikel untuk melewati penghalang potensial yang menurut mekanika klasik tidak dapat diatasi; fungsi gelombang meluruh tetapi tidak lenyap di dalam penghalang, menyisakan probabilitas kecil untuk muncul di sisi lain.

Definition

Penerowongan kuantum adalah penetrasi partikel kuantum melalui penghalang energi potensial yang lebih tinggi dari total energinya, sebuah fenomena tanpa analog klasik yang muncul karena fungsi gelombang meluruh secara eksponensial daripada berakhir di dalam penghalang.

Scope

Topik ini mencakup hamburan dari penghalang satu dimensi persegi panjang dan arbitrer, koefisien transmisi dan refleksi, ketergantungan eksponensial probabilitas penerowongan pada lebar dan tinggi penghalang, peluruhan evanescent fungsi gelombang di daerah terlarang, penerowongan resonan melalui penghalang ganda, dan estimasi WKB laju penerowongan untuk penghalang halus.

Core questions

• Bagaimana partikel dapat melintasi penghalang yang lebih tinggi dari energinya?
• Apa yang menentukan probabilitas terjadinya penerowongan?
• Bagaimana laju penerowongan bergantung pada lebar dan tinggi penghalang?
• Kapan penerowongan menjadi resonan dan mendekati kepastian?

Key concepts

• penghalang potensial
• koefisien transmisi
• gelombang evanescent
• penekanan eksponensial
• penerowongan resonan
• aproksimasi WKB

Key theories

Transmisi melalui penghalang

Mencocokkan fungsi gelombang berosilasi di luar penghalang dengan solusi yang meluruh secara eksponensial di dalamnya menghasilkan koefisien transmisi yang kecil tetapi tidak nol, menurun secara eksponensial dengan produk lebar penghalang dan laju peluruhan yang ditentukan oleh tingginya.

Estimasi penerowongan WKB

Untuk penghalang yang halus dan bervariasi secara perlahan, probabilitas penerowongan didekati oleh eksponensial dari minus dua kali integral laju peluruhan lokal melintasi daerah terlarang, formula yang digunakan Gamow untuk menjelaskan rentang waktu paruh peluruhan nuklir yang sangat besar.

Clinical relevance

Penerowongan adalah prinsip operasi di balik teknologi utama dan proses alami: mikroskop penerowongan pemindaian (scanning tunneling microscope) memetakan atom dengan mengukur arus penerowongan, dioda penerowongan dan penerowongan resonan memanfaatkannya untuk elektronik cepat, memori flash mengandalkannya, dan ini mengatur peluruhan alfa nuklir dan fusi di bintang-bintang.

History

Penerowongan dikenali segera setelah persamaan Schrodinger; Hund menemukannya dalam model molekuler dan Gamow menggunakannya pada tahun 1928 untuk menjelaskan peluruhan alfa, sementara Binnig dan Rohrer mengubahnya menjadi mikroskop penerowongan pemindaian pada tahun 1981, mendapatkan Hadiah Nobel.

Key figures

• George Gamow
• Friedrich Hund
• Gerd Binnig
• Heinrich Rohrer

Seminal works

• griffiths2018
• landau1977

Frequently asked questions

Apakah penerowongan melanggar kekekalan energi?

Tidak; partikel memiliki energi yang sama sebelum dan sesudah, dan energi tidak pernah diukur melebihi tinggi penghalang di dalamnya. Efek ini muncul karena partikel kuantum tidak memiliki lintasan yang pasti atau energi yang terdefinisi dengan jelas yang terlokalisasi di daerah penghalang.

Mengapa penerowongan sangat sensitif terhadap lebar penghalang?

Fungsi gelombang meluruh secara eksponensial di dalam penghalang, sehingga amplitudo yang ditransmisikan menurun secara eksponensial dengan lebar; bahkan peningkatan kecil dalam ketebalan penghalang dapat mengurangi probabilitas penerowongan hingga beberapa orde magnitudo, itulah sebabnya mikroskop penerowongan pemindaian sangat presisi.