En términos simples, ¿qué es el túnel cuántico?

He respondido una pregunta similar sobre Quora, así que solo copie el contenido de mi otra respuesta aquí.

Antes de hablar sobre la naturaleza cuántica de las partículas y el túnel cuántico, imaginemos una situación.

Imagina que estás parado al pie de una colina y quieres ir al otro lado de la colina.

La única forma de hacerlo es subir la colina hasta la cima y luego bajar lentamente al otro lado. Pero subir una colina requiere mucha energía , ¿no es así? ¿Qué pasa si eres débil y no tienes tanta energía? ¿Todavía puedes ir a la otra colina?

Parece que hay otra manera de ir al otro lado sin subir la colina. Los trenes generalmente cruzan las colinas sin subir, tú también puedes hacerlo. Puede buscar o buscar un túnel , y luego pasar por ese túnel para llegar al otro lado de la colina sin subirlo . Si puede encontrar y cruzar el túnel con éxito, puede cruzar la colina , incluso si no tiene suficiente energía para escalar.

Mundo cuántico y túnel cuántico:

En el nivel cuántico , las leyes de la física ya no son las mismas que las leyes físicas normales que vemos en nuestra vida diaria. Muchas cosas extrañas suceden a nivel cuántico. Por ejemplo , supongamos que está jugando billar en nuestro mundo macroscópico, por lo que puede esperar que una bola de billar en particular desaparezca en un lugar y aparezca de repente en otro . No puede suceder, cierto. Para cambiar el lugar, la pelota tiene que rodar hacia ese lugar en la mesa. Pero, a nivel cuántico, las partículas desaparecen en un lugar y aparecen en otro lugar inmediatamente .

Otro ejemplo sería un mito clásico, que dice que los electrones giran alrededor del átomo. Donde, como en realidad a nivel cuántico, los electrones no orbitan en absoluto. Un electrón simplemente desaparece y aparece en su nube probabilística, en función de su nivel de energía.

Entonces, cuando profundizamos más en el nivel cuántico, vemos que está lleno de probabilidades. Ejemplo: el orbital 1S de hidrógeno es solo una región en forma circular donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta. Entonces, se trata de probabilidades . ¿Puedes encontrar un electrón en el orbital 2s o 3s de un hidrógeno? La respuesta sería, sí, tal vez, pero con muy poca probabilidad , si ese electrón puede tener una energía muy alta. Después de todo, los orbitales son solo niveles de energía, y no algunas regiones definidas físicamente. La probabilidad puede ser cercana a cero, pero no es cero. Y esto cambia todo a nivel cuántico.

Ahora hablemos sobre el túnel cuántico .
Ahora sabemos que las partículas pueden desaparecer y aparecer de inmediato. Recuerde la situación en la que quería cruzar la colina (imagen de arriba) . Ahora, imagine que en lugar de usted, una partícula está parada allí, y en lugar de una colina, hay una barrera potencial o barrera energética. En términos simples, una barrera de energía es un límite que indica que la partícula debe poseer tanta energía para atravesarla. Es solo un nivel de energía, y no una colina física a escala atómica.

La analogía del nivel de energía sería como un club nocturno . Digamos que hay un club nocturno donde las partículas pueden pasar el rato y disfrutar. Club nocturno requiere 50 $ para dar entrada . Y la ‘partícula x’ tiene solo 20 $, por lo que la partícula x requeriría otros 30 $ para obtener la entrada dentro del club. Pero, la partícula no puede obtener dinero extra, sus amigos (otras partículas) también negaron prestar algo de dinero (excitación energética) a la partícula x. Todavía existe la posibilidad de que la partícula x pueda encontrar una puerta trasera y entrar dentro del club, sin gastar nada. Pero la probabilidad de encontrar una puerta trasera es muy baja.

Esto es como el túnel cuántico. Cuando una partícula aparece al otro lado de la barrera energética sin tener la energía suficiente para cruzar la barrera energética. Este fenómeno es el túnel cuántico, donde parece que la partícula se ha tunelizado a través de la barrera de energía.

La probabilidad de que esto ocurra es muy baja. Digamos que si hay 1 millón de partículas, entonces puede haber solo 1 o 2 partículas que puedan atravesar la barrera y aparecer en el otro lado.

Aplicación de túnel cuántico
El túnel cuántico es un fenómeno experimentalmente confirmado y observado. Pero, una de sus aplicaciones realmente me aturde. La tunelización cuántica en realidad nos ha permitido visualizar los átomos y las moléculas en sí. Es como mirar las moléculas y los átomos bajo un microscopio. Microscopio de túnel de escaneo, por el cual los físicos Gerd K. Binnig y Heinrich Rohrer recibieron el Premio Nobel de Física en 1986. El mecanismo completo de STM no se puede discutir aquí, pero funciona sobre el principio subyacente del túnel cuántico.
A continuación se muestran algunas imágenes de moléculas vistas bajo STM.

Los átomos de silicio. Cada bola morada es un átomo de silicio. Imagen cortesía de la Universidad de California, Irvine.

26 átomos de carbono y 14 átomos de hidrógeno estructurados como tres anillos de benceno conectados. Imagen cortesía de Berkeley Lab.

Una vez que los físicos han descubierto que los elementos que transportan energía, como los electrones, tienen un potencial energético dentro de cierto límite y que cuando alcanzan este nivel de energía, saltan a otra órbita. Pero estas unidades pueden recolectar energía a niveles anormales, superar un obstáculo frente a ellas y saltar de A a B. Como no podían explicar este fenómeno en términos de lógica física y formulaciones, produjeron un concepto llamado “tunelización” , de modo que se abrió un túnel de A a B y viajaron a lo largo de este túnel.

Esto se explica de la siguiente manera: dices que vives en Estambul. Un día, recibió una carta de la embajada de Turquía en Sydney (Australia), y que su tío que vivía en Sydney murió y le dejó un millón de dólares heredados; Ha aprendido que debe presentar una solicitud en la oficina correspondiente en Sydney dentro de las 48 horas. De lo contrario, este patrimonio permanecerá en el tesoro del estado. No tienes cinco centavos en tu bolsillo. ¿Qué haces? Vas a una agencia de viajes. Mostrará la carta y les pedirá que le den un boleto, pero pagará con su tarjeta de crédito para que la tarifa se pueda cobrar después de 2 días. La compañía ya tiene muchas vacantes a bordo y le dan un boleto de lujo, y usted vuela a Sydney y obtiene la herencia. Ambas partes ganaron.

Esta energía adicional es proporcionada por “partículas virtuales” de muy corta vida que se crean por un período muy corto de tiempo y luego desaparecen nuevamente.

Como los físicos no atribuyen comportamientos conscientes a las unidades subatómicas, no pueden explicar tales características e interacciones mutuas como se describió anteriormente. La vida tiene sus fundamentos en las unidades subatómicas.

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Requerir los términos simples hace que sea muy difícil. Sin embargo, prueba esto. Piense en la partícula viajera como asociada con una onda (dualidad de partícula de onda). Cuando una onda golpea una barrera, que es el borde definido de un medio diferente, se refleja o transmite y el grado de transmisión depende de la relación de los índices de refracción de los dos medios. Para una reflexión total, la resistencia del segundo medio debe ser infinita, y dado que eso no sucede, hay una fracción de la intensidad de onda que continúa. Si sale del otro lado (en principio, puede quedar atrapado en el medio al reflejarse en el otro borde o al ser absorbido), entonces el cuadrado de la amplitud corresponde a la probabilidad de que la partícula tenga que estar allí. Por lo tanto, la partícula ha tenido que atravesar la barrera. Tenga en cuenta que no necesita la energía física para que una partícula atraviese la barrera; Esto es totalmente un fenómeno de onda en este punto, y la partícula tiene que subir porque la onda lo hace. Hay algunas condiciones más. La longitud de la ola debe tener un tamaño relativo al límite, razón por la cual el béisbol mencionado en otras publicaciones siempre se recuperó: su longitud de onda de De Broglie es tan pequeña que es insignificante en comparación con las irregularidades del límite. Las otras condiciones comienzan a ser demasiado técnicas.

Imagina que estás parado en una habitación y tu amigo está en la habitación de al lado con la puerta cerrada y solo una pared que te separa. Si gritas desde tu habitación lo suficientemente fuerte, tu amigo podrá escucharte, aunque haya una pared entre ti. Esto se debe a que las ondas de sonido que emites al gritar golpearán la pared, se reflejarán parcialmente, pero lo más importante se propagarán parcialmente dentro de la pared, y luego hacia la otra habitación y eventualmente al oído de tu amigo.

Ahora imagine que esa onda, en lugar de representar las oscilaciones en la densidad del aire y el material de la pared, representa la probabilidad de que su “grito” esté en cualquier lugar en cualquier momento. Encontraría que, aunque hay un muro que debe evitar que el grito llegue a su amigo, tiene una probabilidad distinta de cero de estar ubicado en la otra habitación.

Eso es lo que significa hacer túneles. Es una consecuencia del hecho de que la materia se comporta como ondas.

Quiero dar una analogía de refracción. La refracción es la flexión de la luz cuando se mueve de un medio a otro medio.

Esto es realmente lo que sucede cuando la luz se mueve desde un índice de refracción más alto a un índice de refracción más bajo, pero aquí consideramos la luz como fotones, no como onda.

Apliquemos la analogía de la onda. Si el ángulo incidente de la luz es más que un ángulo crítico, en la superficie la luz no se reflejará a 180 °. Las ondas de luz salen del medio n1 y tienen un desplazamiento de 180 ° y regresan. Normalmente, la longitud de onda de la luz es muy pequeña. No vea este fenómeno a simple vista. Si hay otro medio n1 muy cerca del n1 original, entonces puede ver este fenómeno (es como colocar dos losas de vidrio muy cerca).

Ahora considere la distancia entre la losa de vidrio como energía. Ahora suponga que la luz en la primera losa de vidrio se refleja internamente. Si la segunda losa de vidrio está muy cerca, la luz pasará por el segundo vidrio porque la luz no se refleja perfectamente en la primera losa de vidrio. Más la distancia que pasará menos luz. Recuerde que para observar esto, la distancia entre la losa de vidrio debe coincidir con la longitud de onda de la luz. Aunque hay un espacio entre dos losas, la luz sale de la segunda losa, que es muy similar al túnel cuántico. En los túneles cuánticos, el electrón pasará a través de la barrera de energía si el nivel de energía del electrón está más cerca del nivel de energía de la barrera.

Agujero esto ayuda, gracias por leer.

Esencialmente, lo que tienes es una barrera. Piensa en ello como una pared. Tiene un volumen finito. Ahora imagina que te estás moviendo hacia esta pared. Para atravesar la pared sin verse afectado, necesita una cierta cantidad de energía. Si tienes suficiente energía podrás saltar sobre la pared. Si no tiene suficiente energía, la atravesará y su energía decaerá exponencialmente.

Muro = Muro de Energía

Persona en movimiento = Electrón o alguna partícula cuántica

El túnel cuántico es como tirar un beisboll muchas veces sobre una pared, de repente lo encuentras detrás de la pared, aunque no tiene suficiente energía para pasar por encima de la pared.

Depende de la probabilidad de que una vez la pelota pase lejos del Muro. En la mecánica cuántica, el objeto, que está en escala microscópica, átomo y partículas subatómicas, se describe mediante una función de onda de carácter estadístico, por lo que la probabilidad juega la posibilidad física de que la partícula debajo de una determinada pared de energía potencial sea más grande que la energía de la partícula. penetrar en este muro de energía de mayor potencial. Espero que la respuesta sea clara.

La tunelización cuántica es la combinación de dos cosas: (1) la incapacidad de una partícula cuántica para detenerse y girar inmediatamente en el borde de un área donde, de acuerdo con la física clásica, no debería poder ser, y (2) salvando la gracia de encontrar un área permitida nuevamente si progresa lo suficientemente más allá del límite de la zona prohibida.

Usted compra una barra Snickers y la guarda en su bolsillo. Si el túnel cuántico funcionara en el nivel macro, habría una alta probabilidad de que, a veces, la barra Snickers estuviera en el exterior del bolsillo, sin moverse realmente.

No hay forma de llegar del punto A al punto B con la energía que tienes.

Con alguna probabilidad pequeña (pequeña, prácticamente cero para objetos grandes), lo haces de todos modos.

La magia de la física cuántica es que nunca puedes estar seguro de que tu electrón se quede donde lo dejaste. De hecho, no puedes estar seguro de muchas cosas, pero esa es una de ellas.

De todos modos, si pones un electrón en un lado de la pared, lo más probable es que puedas encontrarlo en el otro lado. Eso es un túnel cuántico en pocas palabras.

Bonificación: ahora, la probabilidad de que el electrón haga eso está relacionada con el grosor o la altura de la pared, por lo que si pones un millón de electrones en un lado y cuentas cuántos aparecen en el otro lado, puedes calcular qué tan grueso la pared es Así es como funciona un microscopio de túnel.