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Quantum Tunneling

1927
  • Friedrich Hund
Scanning tunneling microscope in a laboratory setting demonstrating quantum tunneling principles.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Fenómeno cuántico en el que una función de onda puede propagarse a través de una barrera de energía potencial. Clásicamente, una partícula que carece de la energía suficiente para superar una barrera se reflejaría. Sin embargo, debido a la naturaleza ondulatoria de las partículas, existe una probabilidad no nula de que la partícula aparezca al otro lado de la barrera, atravesándola efectivamente mediante un efecto túnel.

El efecto túnel cuántico es una consecuencia directa del Heisenberg Principio de incertidumbre y la naturaleza probabilística de la ubicación de una partícula descrita por su función de onda. Cuando la función de onda de una partícula encuentra una barrera de potencial, no cae abruptamente a cero. En cambio, decae exponencialmente dentro de la barrera. Si la barrera es lo suficientemente delgada, la función de onda puede tener una amplitud pequeña pero distinta de cero al otro lado. Dado que la probabilidad de encontrar la partícula está relacionada con el cuadrado de la amplitud de la función de onda, existe una probabilidad finita de que la partícula sea detectada al otro lado de la barrera.

La probabilidad de efecto túnel disminuye exponencialmente con el espesor de la barrera y la raíz cuadrada de la altura de la barrera y la masa de la partícula. Por eso, el efecto túnel es significativo para partículas microscópicas como los electrones, pero insignificante para objetos macroscópicos. Por ejemplo, en la fusión nuclear dentro del Sol, los protones no tienen suficiente energía térmica para superar su repulsión electrostática mutua (la Culombio barrera). La fusión solo es posible porque los protones pueden atravesar esta barrera por efecto túnel, permitiendo que la fuerza nuclear fuerte los una. De manera similar, el microscopio de efecto túnel (STM) funciona midiendo la corriente de tunelización de electrones entre una punta metálica afilada y la superficie de una muestra, lo que permite obtener imágenes con resolución atómica.

UNESCO Nomenclature: 2210
– Quantum Physics

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Schrödinger ecuación (1926)
  • Dualidad onda-partícula
  • Estudios de radiactividad (desintegración alfa)
  • Principio de incertidumbre de Heisenberg (1927)

Aplicaciones

  • microscopio de efecto túnel (STM)
  • diodos túnel en electrónica
  • memoria flash (transistores de puerta flotante)
  • nuclear fusion in stars
  • Desintegración alfa de núcleos atómicos

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • tunneling-based dna sequencing technology
  • ultra-low power electronics using tunnel field-effect transistors (TFETs)
  • quantum-tunneling-based chemical sensors for detecting single molecules
  • energy harvesting devices based on electron tunneling
  • next-generation non-volatile memory with higher density and speed
  • controlled initiation of chemical reactions by tunneling
  • terahertz frequency oscillators
  • quantum-dot solar cells with enhanced efficiency via tunneling
Relacionado con: tunelización cuántica, función de onda, barrera de potencial, microscopio de efecto túnel, fusión nuclear, desintegración alfa, mecánica cuántica, probabilidad.

Contexto histórico

Quantum Tunneling

1925
1926
1927
1927
1930
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1925
1926
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(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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