量子隧穿效应

量子隧道效应，也称为隧道效应 (US)，是一种量子力学现象，波函数可以通过势垒传播。

通过势垒的传输可能是有限的，并且以指数方式取决于势垒高度和势垒宽度。 波函数可能在一侧消失并在另一侧重新出现。 波函数及其一阶导数是连续的。 在稳态下，前向的概率通量在空间上是均匀的。 没有粒子或波丢失。 隧道发生时势垒的厚度约为 1-3 纳米或更小。

一些作者还将波函数仅穿透到势垒中，而另一侧没有传输视为隧道效应。 经典力学定律并未预测量子隧道效应，在经典力学定律中，克服势垒需要足够的动能。

量子隧穿在诸如核聚变和原子核的 α 放射性衰变等物理现象中起着至关重要的作用。 它在隧道二极管、量子计算和扫描隧道显微镜中都有应用。

早在 20 世纪初就预测到了这种效果。 它作为一种普遍的物理现象被接受是在本世纪中叶。

量子隧穿限制了微电子设备中使用的最小尺寸，因为电子很容易穿过厚度小于 1 纳米的绝缘层和晶体管。

隧道xxx用薛定谔方程的解来解释，如 2.1（下文）中所述。

量子隧穿是从放射性研究发展而来的，放射性研究是亨利·贝克勒尔 (Henri Becquerel) 于 1896 年发现的。 居里夫人和皮埃尔·居里进一步研究了放射性，他们因此获得了 1903 年的诺贝尔物理学奖。欧内斯特·卢瑟福和埃贡·施魏德勒研究了它的性质，后来弗里德里希·科尔劳施通过经验验证了这一点。 半衰期的想法和预测衰变的可能性是从他们的工作中创造出来的。

1901 年，罗伯特·弗朗西斯·埃尔哈特 (Robert Francis Earhart) 在使用迈克尔逊干涉仪研究间隔很近的电极之间的气体传导时，发现了意想不到的传导机制。 J. J. Thomson 评论说，这一发现值得进一步调查。 1911 年和 1914 年，当时的研究生 Franz Rother 直接测量了稳态场发射电流。 他采用 Earhart 的方法来控制和测量电极分离，但使用灵敏的平台检流计。 1926 年，Rother 测量了紧密排列的电极之间的硬真空中的场发射电流。

1927 年，Friedrich Hund 在计算双阱势的基态时首次注意到量子隧道效应。 Leonid Mandelstam 和 Mikhail Leontovich 在同一年独立发现了它。 他们正在分析当时新的薛定谔波动方程的含义。

它的xxx个应用是对 alpha 衰变的数学解释，由乔治·伽莫夫（他知道曼德尔斯坦和莱昂托维奇的发现）于 1928 年开发，并由罗纳德·格尼和爱德华·康登独立开发。 后者的研究人员同时求解了模型核势的薛定谔方程，并推导出了粒子半衰期与发射能量之间的关系，该关系直接取决于隧穿的数学概率。

在参加 Gamow 研讨会后，Max Born 认识到隧道的普遍性。 他意识到它不仅限于核物理，而是适用于许多不同系统的量子力学的一般结果。 此后不久，两个小组都考虑了粒子隧道进入原子核的情况。 到 1957 年，半导体的研究以及晶体管和二极管的发展导致人们接受了固体中的电子隧道效应。Leo Esaki、Ivar Giaever 和 Brian Josephson 预测了超导库珀对的隧道效应，他们因此获得了 1973 年的诺贝尔物理学奖 2016年，水的量子隧穿被发现。

量子隧穿属于量子力学领域：研究在量子尺度上发生的事情。 隧道无法直接感知。 它的大部分理解都是由经典力学无法解释的微观世界塑造的。 为了理解这种现象，可以将试图穿过势垒的粒子比作试图翻过山丘的球。

量子力学和经典力学在处理这种情况时有所不同。 经典力学预测，没有足够能量以经典方式越过障碍的粒子无法到达另一侧。 因此，没有足够能量翻越山丘的球会滚回山下。 缺乏穿透墙壁能量的球会反弹回来。 或者，球可能成为墙的一部分（吸收）。