什麼是量子隧穿效應?

李藤新一new


舉個現實中形象的例子可以更好地理解量子隧穿效應,也可以明白它的神奇性!

假設你面前有一堵高牆,比如說2米高(總之你無論如何無法直接跳過去的高度),那麼你如何到達牆的另一面?

如果不借助任何外力,你是無法過去的,這我們都明白。

但這就是微觀世界的神奇性。對於微觀粒子來說,它們有一定幾率直接突破“高牆”,到達另一面,就類似我們經常說的“瞬移”,即使粒子的能量不足於讓它越過勢壘高度(可以理解為牆的高度),由於微觀粒子有波粒二重性和量子效應,它們有可能直接穿越勢壘,而且能量越高,穿越的幾率越大!

這種現象在我們的宏觀世界簡直是不了想象的,就現象面對一堵牆,你直接撞上牆沒有感覺到疼痛,然後到達了牆的另一面!

但為何微觀粒子可以有量子隧穿效應,而由微觀粒子構成的我們沒有這種效應呢?原理上我們是由無數微觀粒子構成的,也應該有這種效應。

事實上,單從理論上分析,宏觀世界的我們也具有量子隧穿效應,只不過幾率實在太低太低了,低到一定程度在現實中就等於不可能發生。

量子隧穿效應絕不是假象或者空想的理論,而是實實在在存在的,在一些顯微鏡和半導體領域都可能看到這種效應!


宇宙探索


微觀粒子可以突破勢壘,穿牆而過的神奇效應就是量子隧道效應。

對於經典物理裡中的宏觀粒子,如果運動時面對一個勢壘,類似於高牆,當粒子的能量小於勢壘高度V時,這個粒子是不可能穿過這個勢壘的。然而對於微觀粒子,都具有波粒二象性,擁有相應的量子效應,即使微觀粒子的能量低於勢壘高度,它仍有一定的概率可以突破勢壘。這就是量子隧道效應。

這很容易從一維定態薛定諤方程解出,在勢壘右邊波函數不為零,也就是左邊能量低於勢壘的粒子有通過勢壘高牆的可能性。具體公式我在人穿越一面牆的概率這樣的問答中,和頭條號相關文章中給出過,這裡不再詳談。

量子穿透幾率是最早是由
物理學家伽莫夫首先導出的關係式。

伽莫夫也最早開創利用量子力學來研究原子核領域,併成功解釋了經典物理無法回答的勢壘穿透效應,也就是題目所談的量子隧道效應。

當然,我們要謹記量子效應只是發生在微觀世界的微觀粒子身上,對於宏觀物體量子效應早已忽略不計,又回覆到經典物理統治的世界。所以一個人穿透一堵牆的幾率是完全忽略不計的。

量子隧道效應的諾獎級應用 - STM。

量子隧道效應直接的應用是掃描隧道顯微鏡STM,在1986年獲得了諾貝爾獎,這個在科研上主要應用於原子級別的樣品進行成像和操縱,例如IBM公司利用掃描隧道顯微鏡直接搬運原子,在基底上書寫了IBM的logo,我在以前問答和文章也講過很多次STM和AFM的成像。

量子隧道效應還可以用來解釋和研究很多電子的行為,

比如半導體工業中應用的很多結的問題需要考慮電子的隧道效應。對於兩層金屬之間的絕緣體薄層的設計時,就需要考慮到量子隧道效應,在厚度低於一定數值時,實驗會發現電子可以穿過絕緣層,這就是一種量子隧穿效應。而我們現在的半導體制造技術,例如CPU要進入到了10nm一下的製程,但隨著線路的密集,尺度的減少,量子隧道效應將會越來越明顯,電子會不再沿著原有線路流動,這就將是現有微電子製造的瓶頸和末路。


量子實驗室,歡迎評論和關注。


量子實驗室


簡單地說,量子隧穿效應是指微觀粒子可以穿過一堵比自己還高的牆。這是一種量子效應,用經典的觀點可能很難理解。但結合量子力學中波動性的觀點,用薛定諤方程可以很容易地解出來。

我們可以先想象一下經典的情況。如果面前有一堵牆,我們想翻牆而過,必須具有足夠的能量跳過去。如果能量不夠,我們是絕不可能出現在牆的另一面的。但在量子世界中,即使能量不夠,我們也可以穿牆而過(而不是躍牆而過),這就是量子隧穿現象。

當然這裡的"我們"不能是宏觀的物體,而是微觀粒子。因為宏觀物體隧穿的概率實在太小了,以致於根本不可能觀察到。

圖1. 經典力學和量子力學穿過能量勢壘的不同方式

發現歷史

量子隧穿的概念是在研究放射性的過程中發展出來的。早在1896年,法國物理學家貝克勒爾就發現了鈾的放射性,後來居里夫婦進一步研究了這種放射性。他們因此一起分享了1903年的諾貝爾物理學獎。關於放射性當時一直有一個疑問。以最常見的α衰變來看,是從重原子核中放射出α粒子,即氦原子核。我們知道,原子核的核子(質子或中子)之間是通過強相互作用聯繫在一起的,核子怎麼會掙脫強大的強相互作用逃逸出來呢?

到了20世紀,量子力學發展之後,物理學家逐漸認識到了微觀粒子存在的不確定性和波粒二象性,為放射性的解釋奠定了基礎。1927年,洪特在計算雙勢阱的基態問題時首先注意到了隧穿現象。1928年,美國物理學家伽莫夫和另外兩個科學家分別獨立地發展了阿爾法衰變的理論解釋。他們通過解方勢壘的薛定諤方程,得出了粒子的隧穿概率,並進一步建立了衰變過程中發射出來的粒子能量和半衰期之間的關係。

後來在一次伽莫夫的報告上,玻恩意識到了隧穿現象的普遍性。他認為這種現象可能並不侷限於核物理學,而是量子力學中一種比較普遍的現象。逐漸地,人們發現了各種各樣的量子隧穿現象。著名的約瑟夫森結就是利用超導電子的隧穿過程製作而成的。

圖2. 物理學家伽莫夫

物理圖象

瞭解過量子力學的人應該對下面這些概念比較熟悉:海森堡不確定性原理,薛定諤方程,微觀粒子的波粒二象性。根據經典的觀點,粒子是不可能穿過能量比自己高的勢壘的。但在量子力學中,由於粒子具有不確定性,即使粒子能量低於勢壘能量,它也有一定的概率出現在勢壘之外。而且粒子能量越大,出現在勢壘之外的概率越高。

圖3. 一個電子波包穿過一個勢壘時的量子隧穿現象(圖片來源於wiki:quantum tunneling)

應用:掃描隧道顯微鏡(STM)

我們在學高中物理時應該見過下面這幅圖,這是一張典型的用STM掃描得到的圖案。而STM就是利用量子隧穿的原理製作而成的。

圖4. STM掃描得到的銅(111)表面的局域態密度圖案

由於電子的隧道效應,金屬中的電子並不是完全侷限於嚴格的邊界之內,也就是說,電子密度不會在表面處突然驟降為零,而是會在表面之外指數性衰減,衰減的長度量級大約為1nm。

如果兩塊金屬靠的很近,近到了1nm以下,他們表面的電子雲就會發生重疊,也就是說兩塊金屬的電子之間發生了相互作用。如果在這兩塊金屬之間加一個電壓,我們就會探測到一個微小的隧穿電流,而隧穿電流的大小和兩塊金屬之間的距離有關,這就是掃描隧道顯微鏡(STM)的基本原理。實際的STM會將其中一塊金屬做成針尖,由於針尖可以做得很細很尖,通過移動針尖的位置,我們就可以探測到另一塊金屬的表面信息(表面的起伏、表面電子態密度等等)。

利用STM可以得到很多漂亮的圖片,甚至我們可以利用STM來操縱原子。具體更深入的知識在此就不贅述了。


量子驛站


量子力學三大忽悠之三量子隧道效應之謬誤

如圖(摘自百度文庫)所說,基本是現在流行的關於量子隧道效應的觀點。當然這裡面有忽悠。哪裡忽悠呢?就是隧道是不存在的。此時有人會問:為什麼會不存在,粒子都在另一側出現了?因為原因有3個,兩強一弱的原因。先說兩個強勢的原因。一,此時統計的是眾多粒子的平均能量。根據概率,這些粒子能量是一個以這個平均能量為對稱軸的正態分佈。其中就有一定概率的粒子的能量高於閥值能量。這個高能量的粒子就是從上面過去的,根本就不需要隧道。二,就是所有粒子的單個能量都小於閥值能量,但這些大量的粒子在反彈,互相碰撞後,有少數或極少數能量會大於閥值能量。一樣是從上面過去。隧道只是唯心主義的臆斷!最後說一下弱勢的原因。單個低於閥值能量的粒子是不是會到達另一邊。這也是有可能的。這時那幫違心主義的量子力學書呆子們就該跳起來說:你個民科!你看量子隧道效應還是對的吧!然而事實會劈頭蓋臉地把這幫唯心主義的量子力學書呆子打暈。這個事實就是空間也充滿了能量,雖然大部分時間和空間上是很弱的。如有時正巧有高能粒子經過,加速了被測粒子,也有可能空間能量的漲落加速了被觀測粒子,還有可能宇宙中的一些人類未知的事物對被觀測粒子進行了加速。當然這個弱因素也時刻作用在上面兩個強勢原因中。

綜上所述,根本就不存在也不需要存在什麼隧道。當時也能根據當時的科學知識解釋清楚!為什麼非要巧立這種說法?這就是名利的誘惑。不要認為科學家都是正人君子一般。沒有雜念。那就錯了。極少數也非常自私!為了名利不擇手段。當然我不是說所謂的量子隧道效應的發現者非常自私!

如果這個忽悠按當時正常的解釋,你所謂的發現者絕對不會有現在的名聲。雖然說科學最誠實,但是科學也忽悠。忽悠在量子力學中最嚴重!一切並不都是為了科學。如果有個科學家放言說他百分之百的把自己放在了科學上,那這時我到可以百分之百地說他在騙人。其他行業也是一個道理。

最後說一下,我提出量子力學三大忽悠的初衷。那就是國內把一些解釋性的非證實的假說當成真理,強加給學生接受,不容置疑。(國外,特別是歐美怎麼教授的我不清楚,不敢妄言)。我與我們堅信看到了社會進化的盡頭這種最大的唯心主義,不無聯繫!這就造成了教育的事倍功半,高分低能,質疑和創新能力低下!我寫這些也只是希望科學進步,中國進步,中國科學進步!


古道熱青


主流科學的唯象論只能把問題神秘化,量子隧穿效應的實質是量子在物體中的傳遞作用。

量子隧穿只能用能量球理論才能說清,量子是能量球發射出來的一群光粒子,相鄰的能量球吸收了這些光子後,再發射出量子,後面的能量球吸收了光子後,又再發射出量子,以此類推,從而實現量子在物體中的傳遞。

宇宙萬物都是由能量球構成的,能量球不停地吸收光子,又不停地發射量子,量子在物體中是不斷傳遞的,宇宙奧秘盡在能量球理論。

物質具有阻擋性,任何粒子都不可無阻擋地穿越,量子也不是隧穿,量子是種傳遞。

主流科學連量子是什麼都不知道,也就只能把它搞得神秘兮兮的?


布魯諾二



量子問題需引入0等於無窮大,在微觀上數字會出現量子化,換句話說數字不再連續.


蘇黎


量子隧穿效應,就是量子大騙子們深感罪惡深重,企圖遁天入地逃避法律嚴懲的心理效應!

明明光量子通信、計算與探測等一系列偽科技都已自打嘴巴了,但仍有人有臉高談闊論量子糾纏、疊加與隧穿等超脫自然力的神學理論,繼續忽悠大眾,真是無恥之極!


池昭新一城市新模式


1、神器“掃描隧道顯微鏡”就是依據其原理製備的!根據經典量子理論,這是微觀粒子波粒二象性中“波”屬性的體現!我們不能把粒子侷限到一個點,它其實如波一樣浪!

2、既然是波,那先了解衰減波耦合效應!光波理論中有個“衰減波”的概念,光在全反射時能流垂直通過界面的時間平均值等於0,但有一很快衰減的光波透過界面,這個稱為衰減波,它能透過界面幾個波長的數量級!雖然它不能在媒介中繼續傳播,但是發生耦合效應(通俗講就是互動聯合增力)呢,他就能實現界面穿透了!想象一下!量子(微觀粒子)是波,然後前面的勢壘是反射界面,於是發生了穿透效應!所以理論界認為量子隧穿是衰減波耦合效應!


擦邊球38682427


人類在看待宇宙中很多物質問題時,侷限性思維,也就是固定宏觀和微觀模式下的思維,恰恰是限制對宇宙的認知,在無法認知現象的情況下,最終確變成神的現象,就如宇宙暗物質中的暗量子,人類認知又有多少呢?,而暗量子在宇宙中的密度又是多大呢?而有的物質在超高溫下,量子與量子之間又發生了什麼變化,而暗量子與暗量子之間的相互聯繫,相互制約,恰恰在反映宇宙中量子很多效應問題。


分享到:


相關文章: