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量子トンネル効果

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

(画像はイメージです)

量子力学的な現象の一つで、波動関数がポテンシャルエネルギー障壁を通過できる現象です。古典力学では、障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持たない粒子は反射されます。しかし、粒子の波動性のため、粒子が障壁の反対側に現れる確率はゼロではなく、実質的に障壁を「トンネル効果」によって通過する可能性があります。

量子トンネル効果は、 Heisenberg 不確定性原理と、粒子の位置が波動関数によって記述される確率的性質。粒子の波動関数がポテンシャル障壁に遭遇すると、波動関数は急激にゼロになるのではなく、障壁内部で指数関数的に減衰します。障壁が十分に薄い場合、波動関数は障壁の向こう側で小さくてもゼロではない振幅を持つことができます。粒子が見つかる確率は波動関数の振幅の二乗に関係するため、障壁の向こう側で粒子が検出される確率は有限です。

トンネル効果の確率は、障壁の厚さと障壁の高さの平方根、および粒子の質量に対して指数関数的に減少します。これが、電子のような微小粒子ではトンネル効果が重要である一方、巨視的な物体では無視できる理由です。例えば、太陽内部の核融合では、陽子は互いの静電反発力( クーロン 核融合は、陽子がこの障壁をトンネル効果で通過し、強い核力によって結合できる場合にのみ可能となる。同様に、走査型トンネル顕微鏡(STM)は、鋭利な金属チップと試料表面間の電子のトンネル電流を測定することで機能し、原子分解能での画像化を可能にする。

UNESCO Nomenclature: 2210
量子物理学

タイプ

抽象システム

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

  • Schrödinger 方程式(1926年)
  • 波動粒子二重性
  • 放射能(アルファ崩壊)の研究
  • ハイゼンベルクの不確定性原理(1927年)

アプリケーション

  • 走査型トンネル顕微鏡(STM)
  • 電子工学におけるトンネルダイオード
  • フラッシュメモリ(フローティングゲートトランジスタ)
  • nuclear fusion in stars
  • 原子核のアルファ崩壊

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • 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
関連キーワード:量子トンネル効果、波動関数、ポテンシャル障壁、走査型トンネル顕微鏡、核融合、アルファ崩壊、量子力学、確率。

歴史的背景

量子トンネル効果

1925
1926
1927
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1930
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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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