量子那些事儿 关注
手机版

量子隧穿

  1. 云栖社区>
  2. 量子那些事儿>
  3. 博客>
  4. 正文

量子隧穿

雪花又一年 2018-05-04 13:32:00 浏览42 评论0

摘要: 量子隧穿效应是一种量子特性,是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学,微观粒子具有波的性质,而有不为零的概率穿过位势障壁。一个最形象的动画: 入门知识 隧穿效应,又称势垒贯穿。

量子隧穿效应是一种量子特性,是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学,微观粒子具有波的性质,而有不为零的概率穿过位势障壁。一个最形象的动画:


0?wx_fmt=gif&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1


入门知识


隧穿效应,又称势垒贯穿。按照经典理论,一个球如果它的动能小于一个山坡的势能,那么球是不可能翻过山坡的。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy

但依量子力学观点,无论粒子能量是否高于势垒(山坡的势能),都不能肯定粒子是否能越过势垒,只能说出粒子越过势垒概率的大小。它取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、运动方向适宜的未必一定反应,只能说穿透概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应,即可能有一部分粒子穿越势垒,好像从大山隧道通过一般。这就是隧道效应。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=
量子隧穿效应示意图。


隧穿粒子的能量不变,只有量子幅降低。因此,找到粒子的概率也会降低。对于狄拉克费米子,垂直入射还能100%穿透。当然要理解这一切,需要会求解薛定谔波动方程。


有些时候,为了数学上的便利,物理学家会视粒子的行为像质点一般,特别是当解析关于经典力学和牛顿第二定律的问题时,物理学家常会这样做。过去,物理学家认为经典力学的成功意味着粒子可以被视为局域化于一点。但是,当涉及非常小的物体和非常小的距离时,并没有任何令人心服口服的实验证据,可以证明这论点是正确的。反之,物理学家现在知道这看法是错误的 。而量子力学不允许粒子局域化于一点。粒子的波函数必是有些散开的(“非局域的”),而非局域的物体,其动能的期望值必是正值的。 可是,由于传统教学方法仍旧反复灌输粒子的行为像质点一般这概念,学生有时会非常惊讶地发觉,行进粒子总是遵守波动方程(甚至是当使用移动质点的数学会造成很多便利的时候)。很明显地,根据牛顿定律,一个假设地经典质点粒子绝对无法进入负动能区域。而一个遵守波动方程的真实非局域物体,会永远拥有正值动能,假若条件恰当,则能够穿透过这区域。正在接近一个位势垒的一个电子,必须表达为一个波列。有时候,这波列可能会相当长。在某些物质里,电子波列的长度可能有10至20奈米。这会增加模拟动画的难度。假设可以用短波列来代表电子,那么,下图动画正确地显示出隧穿效应。

0?wx_fmt=gif&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1

电子波包遇到位势垒而产生的反射和隧穿效应。往位势垒的左边移动的明亮圆盘是波包的反射部分。暗淡的圆盘可以被观察到往位势垒的右边移动,是波包穿过位势垒的很微小的一部分。这是经典力学所不允许的。顺便注意入射波与反射波,因为叠加,而产生的干涉条纹。


隧穿效应的例子


1. 阿尔法衰变就是因为阿尔法粒子摆脱了本来不可能摆脱的强力的束缚而“逃出”原子核。


2. 隧道二极管(隧穿二极管或Tunnel Diode)是一种可以高速切换的半导体,其切换速度可到达微波频率的范围,其原理是利用量子隧穿效应。


3. 扫描隧道显微镜是量子隧穿效应的主要应用之一。扫描隧道显微镜可以克服普通光学显微镜像差的限制,通过隧穿电子扫描物体表面,从而辨别远远小于光波长的物体。


原文发布时间为:2016-03-17
本文作者:尤文龙
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

用云栖社区APP,舒服~

【云栖快讯】云栖社区技术交流群汇总,阿里巴巴技术专家及云栖社区专家等你加入互动,老铁,了解一下?  详情请点击

网友评论