隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)是指當(dāng)微觀顆粒穿越勢壘時，由于波函數(shù)的量子特性，在勢壘區(qū)域內(nèi)也存在一定概率密度，因而能夠以某種方式通過勢壘。這種現(xiàn)象被稱為隧道效應(yīng)。

1.隧道效應(yīng)是什么

隧道效應(yīng)是個量子力學(xué)現(xiàn)象，發(fā)生在微觀尺度的對象穿越一個高于其動能的勢壘時。在經(jīng)典物理學(xué)中，物體必須具備足夠的能量才可跨越節(jié)數(shù)高的勢壘。但在量子世界中，即使沒有足夠的能量，微觀粒子也有極小概率能夠越過勢壘進(jìn)入禁閉區(qū)域。

2.隧道效應(yīng)的原理

隧道效應(yīng)的產(chǎn)生，是基于量子力學(xué)的波粒二象性和不確定性原理。由于波粒二象性，微觀粒子可以表現(xiàn)出像電磁波那樣的波動性質(zhì)，同時又像粒子那樣表現(xiàn)出特定的位置和動量；而不確定性原理則說明了存在測量上的限制，即如果某個粒子在動量方面得到了確定，那么關(guān)于它位置的測量結(jié)果就會更加模糊。

這種波粒二象性和不確定性原理，使得微觀物體可以表現(xiàn)出一些非常奇特的效應(yīng)。其中隧道效應(yīng)就是一個顯著的例子。當(dāng)微觀物體碰到一個勢壘時，由于波函數(shù)的能量擴(kuò)散，部分波函數(shù)會穿越勢壘通過隧道進(jìn)入禁閉區(qū)域，從而實現(xiàn)“穿墻”效果，這就是隧道效應(yīng)。

3.隧道效應(yīng)的應(yīng)用

隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體技術(shù)、掃描隧道顯微鏡、核聚變反應(yīng)等方面都有著重要的應(yīng)用。

半導(dǎo)體技術(shù)中，隧道效應(yīng)被用于存儲芯片、調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)控制等方面。例如，在MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）中，利用隧道效應(yīng)，漏端電流突破了傳統(tǒng)經(jīng)典限制，使得芯片更加高速、高集成度和低功耗。

掃描隧道顯微鏡（STM）則是一種利用機械擺動的探針，通過隧穿亮化和弱震動探測物體表面結(jié)構(gòu)的裝置。

在核聚變反應(yīng)中，粒子需要有足夠的能量才能克服相互作用力，實現(xiàn)聚變。但如果溫度不夠高，則常規(guī)方法無法讓質(zhì)子以足夠高的概率進(jìn)入禁閉區(qū)域。而將兩個同位素氫在恰當(dāng)條件下壓縮形成D-T等效燃料時，可以利用隧道效應(yīng)讓帶電離子以合適的速度進(jìn)入禁閉區(qū)域，實現(xiàn)引爆并維持聚變反應(yīng)。