ریاضیات

دیود تونل [ ویرایش ]

مقاله اصلی: دیود تونل

مکانیزم کار دستگاه دیود تونل زنی رزونانس ، بر اساس پدیده تونل زنی کوانتومی از طریق موانع بالقوه

دیودها دستگاه های نیمه هادی الکتریکی هستند که جریان الکتریکی را در یک جهت بیشتر از جهت دیگر جریان می دهند. این دستگاه به یک لایه تخلیه بین نیمه هادی های نوع N و نوع P وابسته است تا هدف خود را برآورده کند. هنگامی که اینها به شدت دوپ شده باشند، لایه تخلیه می تواند به اندازه کافی نازک باشد تا تونل زنی شود. هنگامی که یک بایاس کوچک رو به جلو اعمال می شود، جریان ناشی از تونل سازی قابل توجه است. در نقطه ای که بایاس ولتاژ به حدی است که سطح انرژی باندهای رسانایی p و n یکسان است، این مقدار حداکثر است. با افزایش بایاس ولتاژ، دو باند رسانایی دیگر روی هم قرار نمی گیرند و دیود به طور معمول عمل می کند. [24]

از آنجایی که جریان تونل زنی به سرعت کاهش می یابد، می توان دیودهای تونلی ایجاد کرد که دارای محدوده ولتاژهایی هستند که با افزایش ولتاژ، جریان کاهش می یابد. این ویژگی عجیب و غریب در برخی از کاربردها، مانند دستگاه های با سرعت بالا که در آن احتمال تونل زنی مشخصه به سرعت ولتاژ بایاس تغییر می کند، استفاده می شود. [24]

دیود تونل زنی رزونانس از تونل زنی کوانتومی به روشی بسیار متفاوت برای دستیابی به نتیجه مشابه استفاده می کند. این دیود دارای یک ولتاژ تشدید است که جریان به نفع یک ولتاژ خاص است که با قرار دادن دو لایه نازک با نوار رسانایی انرژی بالا در نزدیکی یکدیگر به دست می آید. این یک چاه پتانسیل کوانتومی ایجاد می کند که دارای پایین ترین سطح انرژی گسسته است . هنگامی که این سطح انرژی بالاتر از سطح انرژی الکترون ها باشد، هیچ تونلی رخ نمی دهد و دیود در بایاس معکوس قرار می گیرد. هنگامی که دو انرژی ولتاژ در یک راستا قرار می گیرند، الکترون ها مانند یک سیم باز جریان می یابند. با افزایش بیشتر ولتاژ، تونل زدن غیرممکن می شود و دیود قبل از اینکه سطح انرژی دوم قابل توجه شود دوباره مانند یک دیود معمولی عمل می کند. [25]

ترانزیستورهای اثر میدان تونلی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: ترانزیستور اثر میدان تونلی

یک پروژه تحقیقاتی اروپایی ترانزیستورهای اثر میدانی را نشان داد که در آنها گیت (کانال) از طریق تونل کوانتومی به جای تزریق حرارتی کنترل می شود، ولتاژ گیت را از 1 ولت به 0.2 ولت کاهش می دهد و مصرف برق را تا 100× کاهش می دهد. اگر بتوان این ترانزیستورها را به تراشه های VLSI تبدیل کرد ، عملکرد را در هر توان مدارهای مجتمع بهبود می بخشد . [26] [27]

رسانایی جامدات کریستالی [ ویرایش ]

در حالی که مدل رسانایی الکتریکی درود-لورنتز پیش‌بینی‌های بسیار خوبی در مورد ماهیت الکترون‌های رسانا در فلزات انجام می‌دهد، می‌توان با استفاده از تونل‌سازی کوانتومی برای توضیح ماهیت برخورد الکترون‌ها، آن را بیشتر کرد. [22] هنگامی که یک بسته موج الکترون آزاد با یک آرایه طولانی از موانع با فاصله یکنواخت مواجه می‌شود، بخش بازتاب‌شده بسته موج به طور یکنواخت با قسمت ارسالی بین همه موانع تداخل می‌کند به طوری که انتقال 100٪ ممکن می‌شود. این تئوری پیش‌بینی می‌کند که اگر هسته‌های با بار مثبت یک آرایه کاملاً مستطیلی تشکیل دهند، الکترون‌ها به‌عنوان الکترون‌های آزاد از درون فلز عبور می‌کنند که منجر به رسانایی بسیار بالایی می‌شود و ناخالصی‌های موجود در فلز آن را مختل می‌کند. [22]

میکروسکوپ تونل زنی روبشی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: میکروسکوپ تونل زنی روبشی

میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) که توسط گرد بینینگ و هاینریش رورر اختراع شد ، ممکن است امکان تصویربرداری از اتم های منفرد را بر روی سطح یک ماده فراهم کند. [22] با بهره گیری از رابطه بین تونل زنی کوانتومی با فاصله عمل می کند. هنگامی که نوک سوزن STM به سطح رسانایی که دارای بایاس ولتاژ است نزدیک می شود، اندازه گیری جریان الکترون هایی که بین سوزن و سطح تونل می زنند، فاصله بین سوزن و سطح را نشان می دهد. با استفاده از میله های پیزوالکتریک که در هنگام اعمال ولتاژ اندازه آنها تغییر می کند، می توان ارتفاع نوک را برای ثابت نگه داشتن جریان تونل تنظیم کرد. ولتاژهای متغیر زمانی که به این میله ها اعمال می شود را می توان ثبت کرد و برای تصویربرداری از سطح هادی استفاده کرد. [22] STM ها تا 0.001 نانومتر یا حدود 1% قطر اتمی دقت دارند. [25]

فیزیک هسته ای [ ویرایش ]

همجوشی هسته ای [ ویرایش ]

مقاله اصلی: همجوشی هسته ای

تونل زنی کوانتومی یک پدیده ضروری برای همجوشی هسته ای است. دما در هسته های ستاره ای به طور کلی کافی نیست تا هسته های اتمی بر سد کولن غلبه کنند و به همجوشی گرما هسته ای دست یابند . تونل کوانتومی احتمال نفوذ به این مانع را افزایش می دهد. اگرچه این احتمال هنوز کم است، اما تعداد بسیار زیاد هسته ها در هسته یک ستاره برای حفظ یک واکنش همجوشی ثابت کافی است. [28]

واپاشی رادیواکتیو [ ویرایش ]

مقاله اصلی: واپاشی رادیواکتیو

واپاشی رادیواکتیو فرآیند انتشار ذرات و انرژی از هسته ناپایدار یک اتم برای تشکیل یک محصول پایدار است. این کار از طریق تونل زنی یک ذره از هسته انجام می شود (یک تونل الکترونی به درون هسته، جذب الکترون است ). این اولین کاربرد تونل زنی کوانتومی بود. واپاشی رادیواکتیو یک موضوع مرتبط برای زیست‌شناسی نجومی است زیرا این پیامد تونل‌زنی کوانتومی یک منبع انرژی ثابت در یک بازه زمانی بزرگ برای محیط‌های خارج از منطقه قابل سکونت دور ستاره‌ای ایجاد می‌کند که در آن تابش نور ( اقیانوس‌های زیرسطحی ) یا موثر نیست . [28]

تونل زنی کوانتومی ممکن است یکی از مکانیسم های واپاشی فرضی پروتون باشد . [29] [30]

شیمی [ ویرایش ]

اثر ایزوتوپ جنبشی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: اثر ایزوتوپ جنبشی

در سینتیک شیمیایی ، جایگزینی ایزوتوپ سبک یک عنصر با ایزوتوپ سنگین‌تر، معمولاً منجر به سرعت واکنش کندتر می‌شود. این به طور کلی به تفاوت در انرژی‌های ارتعاشی نقطه صفر برای پیوندهای شیمیایی حاوی ایزوتوپ‌های سبک‌تر و سنگین‌تر نسبت داده می‌شود و به طور کلی با استفاده از نظریه حالت گذار مدل‌سازی می‌شود . با این حال، در موارد خاص، اثرات ایزوتوپی بزرگ مشاهده می شود که نمی توان آن را با یک درمان نیمه کلاسیک به حساب آورد، و تونل کوانتومی مورد نیاز است. آرپی بل درمان اصلاح شده ای از سینتیک آرنیوس ایجاد کرد که معمولاً برای مدل سازی این پدیده استفاده می شود. [31]

اخترشیمی در ابرهای بین ستاره ای [ ویرایش ]

با گنجاندن تونل کوانتومی، سنتزهای نجومی مولکول های مختلف در ابرهای بین ستاره ای را می توان توضیح داد، مانند سنتز هیدروژن مولکولی ، آب ( یخ ) و فرمالدئید مهم پری بیوتیکی . [28] تونل زنی هیدروژن مولکولی در آزمایشگاه مشاهده شده است. [32]

زیست شناسی کوانتومی [ ویرایش ]

تونل زنی کوانتومی یکی از اصلی ترین اثرات کوانتومی غیر پیش پا افتاده در زیست شناسی کوانتومی است . [33] در اینجا هم به عنوان تونل زنی الکترونی و هم تونل زنی پروتون اهمیت دارد . تونل زنی الکترونی یک عامل کلیدی در بسیاری از واکنش های ردوکس بیوشیمیایی ( فتوسنتز ، تنفس سلولی ) و همچنین کاتالیز آنزیمی است. تونل زنی پروتون یک عامل کلیدی در جهش خود به خودی DNA است . [28]

جهش خود به خودی زمانی اتفاق می افتد که تکثیر طبیعی DNA پس از تونل زدن یک پروتون مهم اتفاق می افتد. [34] پیوند هیدروژنی به جفت بازهای DNA می پیوندد. یک پتانسیل چاه مضاعف در امتداد یک پیوند هیدروژنی مانع انرژی پتانسیل را جدا می کند. اعتقاد بر این است که پتانسیل چاه مضاعف نامتقارن است، با یکی از چاه ها عمیق تر از دیگری به طوری که پروتون به طور معمول در چاه عمیق تر قرار می گیرد. برای اینکه یک جهش رخ دهد، پروتون باید به چاه کم عمق تر تونل زده باشد. حرکت پروتون از موقعیت منظم خود را انتقال تومریک می نامند . اگر تکثیر DNA در این حالت انجام شود، قانون جفت شدن باز برای DNA ممکن است به خطر بیفتد و باعث جهش شود. [35] Per-Olov Lowdin اولین کسی بود که این نظریه جهش خود به خودی در مارپیچ دوگانه را توسعه داد . سایر موارد جهش ناشی از تونل کوانتومی در زیست شناسی اعتقاد بر این است که عامل پیری و سرطان هستند. [36]