Kuantum Tünelleme: Parçacıkların Aşılması İmkânsız Bariyerleri Geçmesi.

Bariyeri Aşan Parçacıklar

Kuantum tünelleme, parçacığın bariyer boyunca gerçekleşen kuantum mekaniği sürecini ifade eder. Bu fiziksel olay, Güneş gibi yıldızlarda meydana gelen nükleer birleşmeler gibi birçok doğal süreçte önemli bir rol oynar. Tünel diyotu, kuantum bilgisayarı ve taramalı tünelleme mikroskobu gibi modern araçlarda da uygulamaları bulunur. Fiziksel olay olarak etkisi ve kabul görülürlüğü 20. yüzyılın başlarında ve ortalarına doğru geldiği tahmin ediliyor.

Tünelleme sıklıkla Heisenberg belirsizlik ilkesi ve maddenin dalga parçacık ikiliği kullanılarak açıklanır. Saf kuantum mekanik kavramlar olayın merkezindedir, bu yüzden kuantum tüneli kuantum mekaniğinin yeni sonuçlarından biridir.

Tarihsel Gelişim

Kuantum tüneli 1896’da Henri Becquerel tarafından keşfedilen radyoaktivite çalışmalarıyla geliştirilmiştir. Radyoaktivitenin ileriki çalışmaları 1903 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü alan Marie Curie ve Pierre Curie tarafından incelenmiştir. Ernest Rutherford ve Egon Schweidler, daha sonra Friedrich Kohlrausch tarafından doğrulanmış olan doğası hakkında çalışmıştır. Yarı ömür fikri onların çalışmaları tarafından ortaya konulmuştur.

Friedrich Hund, 1927’de çift kuyu potansiyelinin zemin durumunu incelediği zaman tünelin ilk farkına varandır. Matematikte ilk uygulaması 1928’de George Gamow, Ronald Gurney ve Edward Condon tarafından yapılan alfa bozunumu olmuştur. İki araştırmacı, tünelin matematiksel olasılığının doğrudan ilişkili olduğu parçacığın yarı ömrü ve emilim enerjisi arasındaki ilişkinin sürümünden ve nükleer potansiyeli için Schrödinger’in denklemini beklenmedik bir şekilde çözmüşlerdir.

Gamow tarafından verilen seminere katılımından sonra Max Born tünelin genelliliğinin farkına vardı. Born sadece nükleer fizikle kısıtlı olmadığını, birçok farklı sistem tarafından uygulanabilen kuantum mekaniğinin genel bir sonucu olduğunun farkına vardı. Kısa bir süre sonra, iki grupta çekirdekteki parçacık durumlarını göz önüne aldı. Yarı iletkenler üzerindeki çalışmalar, transistörlerin geliştirilmesi ve diyotlar katırdaki elektron tünelinin varlığının kabulüne 1967 yılında yol açtı. Leo Esaki’nin çalışmaları, Ivar Giaever ve Brian Josephson’ın 1973 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü alan süper iletken Cooper çiftlerinin tünelinin tahmin edilmesini sağladı.

Kavramsal Açıklama

Kuantum tüneli kuantum boyutunda neler olduğunu çalışan kuantum mekaniği alanında başarısız olmaktadır. Bu süreç direkt olarak idrak edilemez fakat anlaşılması klasik mekaniğin yeterli kadar açıklanamadığı mikroskobik dünyada şekillenebilir. Olayı anlamak için potansiyel bariyerler arasında gezinmeye çalışan parçacıklar tepeden yuvarlanmaya çalışan bir topla karşılaştırılabilir. Bu senaryoda kuantum mekaniği ve klasik mekanik işleyiş bakımından birbirinden ayrılır.

Klasik mekanik bariyerleri aşmak için yeterli enerjiye sahip olmayan parçacığın diğer tarafa ulaşamayacağını öngörür. Bu yüzden tepeyi aşmak için yeterli enerjisi olmayan top geri yuvarlanacaktır ya da duvarların arasından geçmek için yeterli enerjisi olmazsa geri sıçrama ya da bazı aykırı durumlarda kendini duvarın içine gömecektir. Kuantum mekaniğinde küçük bir ihtimalle de olsa bu parçacıklar diğer tarafla tünel yaparak bariyerleri aşacaktır.

Kuantum mekaniğinde maddenin işleyişinden gelen bu farklılığın sebebi olarak dalga ve parçacıkların özellikleri gösterilebilir. Bu ikilemin bir yorumunu parçacığın pozisyonunun ve momentumunun aynı anda bilenebileceğini de tanımlayan Heisenberg belirsizlik ilkesi içerir. Sonuç olarak diğer taraftaki parçacığın varlığının ihtimali sıfır olmayan bir değerdir ve bu tür parçacıklar benzer frekansla orantılı bir olasılıkla diğer tarafta gözükebilir.

Uygulamalar

Tünelleme, 1,3 nm veya daha küçük incelikteki bariyerlerle meydana gelir. Taramalı tünelleme mikroskobu Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer tarafından icat edilmiştir. Metal üzerindeki her bir atomu bireysel olarak gözlemleye izin verir. Uzaklık ile kuantum tünelleme arasındaki ilişkiden yararlanılarak kullanılır. Taramalı tünelleme mikroskoplarının doğrulukları 0.001 nm veya %1 atomik yarıçaptadır.

Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.