6.6 Kvantetunnelering

Hjem ／ Kapitel 6: Kvantedomænet (V5.05)

I. Fænomener og spørgsmål ved første øjekast

• Alfa-henfald: nogle atomkerner udsender spontant en alfapartikel. Klassisk set er den ydre “potentialmur” for høj til at blive passeret, og alligevel sker der af og til flugt.
• Skanne-tunnelmikroskopi (STM): når en meget skarp metalspids nærmer sig prøven over et vakuumgab i nanometerskala, falder strømmen næsten eksponentielt, efterhånden som gabet øges, men den går ikke til nul.
• Josephson-tunnelering: to supraledere adskilt af et meget tyndt isolatorlag fører jævnstrøm ved nul spænding; en bitte lille jævnspænding giver en vekselstrøm med præcis frekvens.
• Resonans-tunneldioder og dobbeltbarrierer: strøm–spændings-kurven viser skarpe toppe og negativ differentialmodstand, hvilket indikerer “nem passage” ved bestemte energier.
• Feltemission (kold emission): et stærkt elektrisk felt “tynder og sænker” overfladebarrieren, så elektroner kan slippe ud “over tomrummet”.
• Optisk analogi: ved frustreret total intern refleksion kan en svag stråle passere den “forbudte” zone mellem to næsten sammenpressede prismer.

Nøglespørgsmål:

• Hvordan kan en partikel med utilstrækkelig energi passere en “mur”?
• Hvorfor er transmissionen næsten eksponentielt følsom over for barrierens tykkelse og højde?
• Hvad er den egentlige “tunneltid”? Tyder målinger på overlys-hastighed? Målinger af fase- eller gruppeforsinkelse viser ofte mætning (Hartman-effekten), som let fejltolkes som superluminalt.
• Hvorfor kan ekstra lag undertiden lette passagen i et smalt energivindue?

II. Fortolkning ifølge Teorien om energifilamenter (EFT): muren er et “åndende” tensorbånd, ikke en stiv plade

(Samme virkemåde som i § 4.7 “Sorte hullers porer”: en stærk tensorgrænse er ikke permanent hermetisk.)

1. Hvordan barrieren i virkeligheden ser ud: dynamisk, ru og båndformet
   I “hav–filament”-billedet er “barrieren” ikke en geometrisk perfekt og rigid væg. Det er en zone med forhøjet tensorstyrke, der hæmmer transport og hele tiden omformes af mikroskopiske processer:

• udtræk og tilbageføring af filamenter mellem “hav” og “filamenter”,
• mikro-rekonektioner, som kortvarigt omskriver og igen lukker konnektivitet,
• vedvarende “bank” på grænsen fra dannelse og henfald af ustabile partikler,
• lokale tensorfluktuationer drevet af ydre felter og urenheder.
  Set tæt på ligner båndet en “åndende bikage”: som regel høj impedans, men indimellem opstår kortlivede mikroporer med lav impedans.

2. Øjeblikkelige mikroporer: de reelle kanaler for tunnelering
   “Tunnelering” sker, når en mikropore åbner sig tilstrækkeligt dybt og sammenhængende netop i partiklens bevægelsesretning, mens den nærmer sig båndet. Fire størrelser er afgørende:

• åbningsrate: hvor ofte porer optræder pr. areal og tid,
• porelevetid: hvor længe en pore forbliver åben,
• vinkelbredde/retningsselektivitet: hvilke retninger kanalen reelt slipper igennem,
• længdeforbindelse: om en porekæde i serie gennembryder hele båndets tykkelse.
  Succes kræver, at alle fire betingelser opfyldes samtidig. De fleste forsøg mislykkes; nogle få lykkes—sandsynligheden er ikke nul.

3. Hvorfor næsten eksponentiel følsomhed

• Når båndet gøres tykkere, skal flere mikroporer “stilles i serie” gennem dybden. Hvert ekstra lag multiplicerer chancen med en faktor under ét—derfor en næsten eksponentiel reduktion af transmissionen.
• Øget “højde” i tensorstyrken gør porer sjældnere, mere kortlivede og snævrere i retning—den effektive åbningsrate falder.

4. Resonans-tunnelering: en midlertidig bølgeguide syet af mikroporer
   Flerlagsstrukturer kan danne et opholdshulrum med korrekt fase og virke som en midlertidig bølgeguide med lav impedans inde i båndet:

• partiklens energi “parkeres” kortvarigt i hulrummet,
• den venter på, at den næste mikroporekæde åbner i gunstig retning,
• den samlede konnektivitet skyder i vejret i et snævert energivindue.
  Dette forklarer de skarpe toppe i resonans-tunneldioder; tilsvarende fremmer faselåsning på hver side af supraledere koherent passage i Josephson-effekten.

5. Tunneltid i to led: “vente ved porten”, derefter “hurtigt gennem kanalen”

• ventetid ved porten: forsinkelsen indtil en linjeret porekæde opstår på indfaldssiden; denne del dominerer statistisk,
• kanaltid: når forbindelsen findes, passerer partiklen lav-impedans-korridoren med den lokale udbredelseshastighed begrænset af tensorfeltet; dette led er typisk kort.
  Når båndet bliver tykkere, øges ventetiden, mens kanaltiden ikke vokser lineært med den geometriske tykkelse. Mange målinger viser derfor mættet gruppeforsinkelse—ikke overlys-transport, men kombinationen “lang kø, hurtig passage”.

6. Energi og bevaringslov: ingen “gratis frokost”
   Efter passagen balanceres partiklens energiregnskab af dens udgangsbeholdning, tilbagesvar fra tensorfeltet i kanalen og små udvekslinger med omgivelserne. At “energien er for lav, men passagen sker” er ikke magi; det afspejler, at muren ikke er statisk: i mikroskala åbner den indimellem kanaler, hvorigennem sjældne hændelser kan passere ad en lav-impedans-rute uden at “bestige en stiv top”.

III. Fra fortolkning til komponenter og forsøgsopstillinger

• Alfa-henfald: et indre “alfa-kluster” rammer grænsen gentagne gange; emission sker, når en “porekæde” på ydersiden kortvarigt står på linje. Den høje og tykke nukleare barriere gør halveringstiden ekstremt strukturfølsom.
• STM-strøm: vakuumgabet mellem spids og prøve er et tyndt bånd; den målte strøm følger hastigheden, hvormed en “kritisk porekæde” dannes over gabet. Hver ekstra ångström er som endnu en lamel i en persienne—derfor den eksponentielle afsvækkelse.
• Josephson: faselåsning på begge sider af supraledere stabiliserer “bølgeguide-hulrummet”, øger stationær konnektivitet og opretholder strøm ved nul spænding; en lille jævnspænding får fasen til at “skride” og giver en vekselfrekvens.
• Feltemission: et stærkt ydre felt tynder og sænker overfladebåndet, øger poreåbning og konnektivitet og lader elektroner undslippe til det frie rum.
• Frustreret total intern refleksion: “håndtryk” i nærfeltet over nanogabet mellem to prismer skaber kortdistance-forbindelse, så lys kan krydse en klassisk “forbudt” zone—endnu et billede af en midlertidig korridor.

IV. Sammenfattende i fire punkter

• Tunnelering er ikke at bore i en perfekt mur, men at udnytte en øjeblikkelig mikroporekæde i et dynamisk tensorbånd.
• Den næsten eksponentielle følsomhed for tykkelse og højde skyldes seriel multiplikation af sandsynligheder; resonans bygger en midlertidig bølgeguide, der forstærker konnektivitet i et smalt vindue.
• “Tunneltid” består af ventetid og gennemløb: mættet forsinkelse afspejler ventestatistik, ikke brud på lokale udbredelsesgrænser.
• Energi bevares: at “energien ikke rækker, men passagen sker” skyldes, at muren “ånder” i mikroskala—ikke et trick.

|