۶٫۶ تونل‌زنیِ کوانتومی

خانه ／ ۶. حوزهٔ کوانتومی (V5.05)

نخست مشاهده‌های آزمایشگاهی و دشواری‌های شهودی برای نظریهٔ معاصر

در آزمایشگاه، گاه به نظر می‌رسد ذره از دیوار می‌گذرد. نمونه‌ها

• واپاشیِ آلفا برخی هسته‌ها خودبه‌خود ذرهٔ آلفا و نماد α را گسیل می‌کنند. با شهود کلاسیک، سد کولنی از انرژیِ در دسترس بلندتر است، با این همه فرار رخ می‌دهد.
• میکروسکوپ تونلیِ پیمایشی میان سر فلزیِ بسیار تیز و نمونه شکافِ خلأیی با مقیاس نانو برقرار می‌ماند. با افزایش فاصله، جریان تقریباً نمایی کاهش می‌یابد اما به صفر نمی‌رسد.
• تونل‌زنیِ جوزفسون دو ابررسانا که عایقیِ بسیار نازک میانشان است، در صفر ولتاژ جریانِ مستقیم می‌رانند و با ولتاژِ مستقیمِ اندک، سیگنالِ متناوبی در بسامدِ جوزفسون پدید می‌آید.
• دیودِ تونلیِ رزونانسی و ساختارِ دولایهٔ سد منحنیِ جریان ـ ولتاژ مقاومتِ تفاضلیِ منفی و قله‌های تیز نشان می‌دهد؛ یعنی در پنجره‌های انرژیِ خاص، گذر بسیار آسان‌تر می‌شود.
• گسیلِ میدانی یا گسیلِ سرد میدانِ قوی سدِ سطحی را نازک و کوتاه می‌کند و الکترون‌ها را به سوی خلأ رها می‌سازد.
• همانندیِ نوری در بازتابِ کلیِ دچارِ اخلال، دو منشورِ بسیار نزدیک با میدانِ میرا به هم می‌آمیزند و نور از ناحیه‌ای که در نام‌گذاریِ رایج ممنوع شمرده می‌شود عبور می‌کند.

این واقعیت‌ها پرسش‌های شهودی می‌انگیزند. چگونه با انرژیِ به ظاهر ناکافی عبور رخ می‌دهد. چرا حساسیت به ضخامت و ارتفاعِ سد تا این اندازه شدید و نزدیک به نمایی است. زمانِ تونل چه می‌نمایاند و چرا با افزایش ضخامت، درنگِ گروهی به حالتِ اشباع می‌گراید و گاهی به خطا به فراتر از نور تفسیر می‌شود. و نیز چرا لایه‌چینی، در پنجره‌های باریک انرژی، مسیرهای تندرو پدید می‌آورد.

دوم خوانش بر پایهٔ نظریهٔ رشته‌های انرژی سد دیوارِ سخت نیست، نوارِ تنشیِ «نفس‌کش» است

این نگاه با اندیشهٔ مرزهای پرفشار که هرگز آب‌بندیِ همیشگی ندارند سازگار است.

• چهرهٔ واقعیِ سد در نظریهٔ رشته‌های انرژی، سد سطحیِ هندسیِ کامل و خشک نیست، بلکه ناحیه‌ای با تنش و امپدانسِ بالا است که پیوسته با فرایندهای ریزساختی بازآرایی می‌شود. رفت‌وبرگشتِ ساختار میان رشته‌های انرژی و دریای انرژی رخ می‌دهد. بازپیوندهای لحظه‌ای گاه گره‌ها را می‌گشایند و بازمی‌بندند. برانگیختگی‌های ناپایدار پیوسته به لبه می‌کوبند. میدان‌های بیرونی و آلودگی‌ها نوسان‌های موضعی در گرادیانِ تنش پدید می‌آورند. در مقیاسِ نزدیک، این نوار مانند کندوی زنده می‌نماید بیشترین اوقات پُرامپدانس، اما گاه روزنه‌های ریزِ کم‌عمر و کم‌امپدانس گشوده می‌شود.
• روزنه‌های لحظه‌ای کانالِ حقیقیِ تونل گذر آنگاه رخ می‌دهد که در راستای پیشرویِ ذره، زنجیره‌ای از روزنه‌ها با ژرفای کافی و پیوستگیِ پا به پا در سراسر ضخامت باز شود. سنجه‌های راهبر عبارت‌اند از نرخِ گشودن در واحدِ سطح و زمان، عمرِ هر روزنه، پهنای زاویه‌ای که گزینش‌گریِ جهتی را تعیین می‌کند، و پیوستگیِ سراسرِ ضخامت. هرگاه این شرط‌ها هم‌زمان فراهم شود، ذره از کریدورِ کم‌امپدانس می‌گذرد. بیشتر کوشش‌ها ناکام می‌ماند، اما احتمال صفر نیست. همانندِ دری با تیغه‌های تندرو که بیشتر اوقات بسته است و ناگهان تیغه‌ها بر امتدادی باریک ردیف می‌شوند و گذرگاهِ کوتاهی پدید می‌آید که باید غنیمت شمرد.
• خاستگاهِ حساسیتِ نزدیک به نمایی با افزایشِ ضخامت، نیاز به هم‌ردیفیِ سری در عمق پیش می‌آید و شرط‌های هم‌زمانی لایه به لایه چند برابر می‌شود و بختِ کامیابی تقریباً به‌گونه‌ای نمایی فرو می‌افتد. با افزایشِ ارتفاع یا همان تنش، روزنه‌ها نادرتر و کوتاه‌عمرتر و باریک‌تر می‌شوند و نرخِ گشودنِ مؤثر کاهش می‌یابد و سد بلندتر می‌نماید.
• رزونانس گذرگاهِ موجیِ موقتی می‌سازد که روزنه‌ها را به شاهراه می‌دوزد ساختارهای چندلایه می‌توانند کاویتیِ هم‌فاز پدید آورند که درونِ نوار مانند راهنمای موجِ موقتی کار می‌کند. ذره کمی در کاویتی نگاه داشته می‌شود، سپس می‌ماند تا پارهٔ بعدیِ روزنه‌ها در جهتِ سازگار گشوده شود، و در نتیجه پیوستگیِ کل در پنجره‌ای باریک از انرژی فزونیِ پرشتاب می‌گیرد. به همین دلیل در ادواتِ رزونانسی قله‌های تیزِ جریان دیده می‌شود و قفل‌شدنِ فاز میان دو ابررسانا گذردهیِ پایدارتر و نمودهای جوزفسون را به همراه می‌آورد.
• زمانِ تونل انتظارِ دروازه سپس پیمودنِ گذرگاه زمان از دو گام ساخته می‌شود. نخست مکثِ ورود تا زنجیرهٔ هم‌راستای روزنه‌ها پدیدار شود که سهمِ غالبِ درنگِ آماری را رقم می‌زند. سپس گذرِ کوتاه زمانی که اتصال برقرار است و پیشروی با سقفِ سرعتِ مجاز به‌دستِ تنشِ موضعی انجام می‌شود و با هندسهٔ ضخامت رشدِ خطی ندارد. ازاین‌رو اشباعِ درنگِ گروهی دیده می‌شود که نه نشانی از فرا‌نوری بلکه برآیندِ صفِ انتظارِ دراز با عبورِ تند است.
• ترازِ انرژی بی‌بخشش پس از گذر، انرژی از ترازِ آغازین و بازخوردِ تنشی در امتدادِ کریدور و تبادل‌های ریز با محیط متوازن می‌شود. این که با انرژیِ کم عبور رخ می‌دهد سحر نیست، زیرا سد چهره‌ای صُلب و همواره بسته ندارد و گاه گذرگاهِ کم‌امپدانس می‌گشاید و رخدادهای نادر بدون بالا رفتن از قله‌ای ایستا ممکن می‌شود.

سوم از تبیین تا ابزارها و صحنه‌های تجربی

• واپاشیِ آلفا خوشهٔ آلفا بارها به مرزِ هسته می‌کوبد و هنگامی که زنجیره‌ای سرتاسری از روزنه‌ها برای لحظه‌ای هم‌ردیف می‌شود گسیل رخ می‌دهد. نوارهای هسته‌ایِ بلند و ستبر، نیمه‌عمر را به ساختار به‌غایت حساس می‌سازد.
• جریان در میکروسکوپ تونلیِ پیمایشی شکافِ خلأ نوارِ نازکی می‌سازد و جریان، نرخِ کلیِ پدیدار شدنِ زنجیره‌های بحرانیِ پیوستگی را بازمی‌تاباند. افزودنِ هر آنگستروم همانند افزودنِ یک ردیفِ دیگر از تیغه‌ها است و پاسخ تقریباً نمایی کاهش می‌یابد.
• تونل‌زنیِ جوزفسون قفل‌شدنِ فاز در دو سو ناحیهٔ کاویتی و راهنمای موج را پایدار می‌کند و حتی در صفر ولتاژ گذردهی را می‌افزاید. با ولتاژِ مستقیمِ اندک، فازِ نسبی جابه‌جا می‌شود و سیگنالِ متناوب پدید می‌آید.
• گسیلِ میدانی میدانِ قوی نوارِ سطحی را نازک و کوتاه می‌کند و نرخِ گشودن و پیوستگی را بالا می‌برد و الکترون‌ها به خلأ رهسپار می‌شوند.
• بازتابِ کلیِ دچارِ اخلال شکافِ نانویی میان دو منشور دستگیره‌های میدانِ نزدیک فراهم می‌کند که همتای پیوستگیِ کوتاه‌بُرد در شکاف است و نور از ناحیهٔ نام‌گذاری‌شده به عنوان ممنوع از کریدوریِ موقتی می‌گذرد.

چهارم خلاصه در چهار جمله

• تونل‌زنی عبور از دیوارِ کامل نیست، بلکه شکارِ لحظهٔ هم‌صف‌شدنِ زنجیره‌ای از روزنه‌های لحظه‌ای در درونِ نوارِ تنشیِ نفس‌کش است.
• حساسیتِ نمایی به ضخامت و ارتفاع از احتمال‌های سری و چندبرابری می‌جوشد و رزونانس راهنمای موجِ موقتی می‌سازد که پیوستگی را در پنجره‌ای باریک تقویت می‌کند.
• زمانِ تونل از انتظار و گذر ساخته می‌شود و اشباعِ درنگِ گروهی بازتابِ آمارِ انتظار است و مرزهای محلیِ انتشار را نمی‌شکند.
• انرژی همواره پایدار می‌ماند و آنچه گذر با انرژیِ پایین می‌نُماید از آن رو است که دیوار برای دمی می‌گشاید نه آن که ویران شود.