Hvad er et tunnelforbindelse?
En tunnelkryds er et punkt, hvor to forskellige elektrisk ledende eller magnetiske materialer mødes, normalt adskilt af en tynd barriere, med det formål at føre elektroner fra det ene materiale til det andet. Det definerende aspekt af en tunnelkryds er, at elektronerne mekanisk set er for svage til at trænge ind i krydsbarrieren, men gør det alligevel dog et princip kaldet kvantetunneling. Tunnelforbindelser er nyttige i mange hurtigtvirkende elektroniske enheder, såsom flashhukommelseschips, hvilket øger effektiviteten af fotovoltaiske celler og konstruktionen af ekstremt hurtige dioder, der er i stand til at reagere ved højere frekvenser end ellers ville være muligt.
Princippet om kvantetunneling, som driften af alle tunnelforbindelser bygger på, er baseret på kvantemekanikens teorier. Disse teorier siger, at selvom en elektronisk matematisk mangler den aktive mekaniske energi til at passere gennem den givne barrieres lagrede energi, er chancerne for, at en given elektron, der bryder barrieren, skønt ekstremt lille, ikke nul. Da passering af et elektron, skønt en åbenlyst overlegen barriere normalt ikke er matematisk eller mekanisk mulig, men ikke desto mindre eksisterer, har videnskabsmænd antaget, at elektronet udfører dette som et resultat af en kvantemekanisk teori kaldet bølgepartikeldualitet.
Wave-partikel dualitetsteori siger, at alle former for stof, elektricitet i tilfælde af et tunnelforbindelse, findes i to separate tilstande samtidig. For det første eksisterer sagen som en partikel, såsom en elektron, der har en vis mængde aktiv mekanisk energi på grund af dens masse og hastighed. For det andet eksisterer sagen som en bølgeform, der fungerer og vibrerer ved en bestemt frekvens.
Som et resultat af bølgepartikeldualitet kan en elektron muligvis ikke have den aktive mekaniske energi til at passere gennem en barriere; dog ved en høj nok frekvens kan den have nok bølgeformenergi til at passere gennem barrieren. Ved en høj nok frekvens kan bølgeformenergien i en elektron bogstaveligt talt vibrere gennem lavfrekvensbarrieren i en handling, der kaldes kvantetunneling. Som et resultat af de meget høje frekvenser, der er involveret i kvantetunneling, sker handlingerne for de involverede elektroner ekstremt hurtigt, hvilket gør det muligt for en enhed, der bruger et tunnelkryds, at fungere ekstremt hurtigt. Denne hastighed kan derefter enten bruges til at fremskynde driften af elektrisk udstyr eller til at detektere, identificere og reagere på meget hurtigt bevægende energiformer, såsom lysbølger.
I praksis bruges tunnelforbindelser primært i elektronik. De giver hastigheden til at læse og skrive til og fra flashhukommelse, tillader fremstilling af ekstremt hurtige oscillatorer, der øger computerens driftshastighed og tillader konstruktion af videnskabelige instrumenter, der kan detektere og arbejde i miljøer med høj stråling.
Tunnelforbindelsen kan også bruges til at interagere med lysenergi og er involveret i en række lysrelaterede forskningsprojekter. I ren energiforskning indarbejdes det i højeffektive solceller, hvor dets høje driftsfrekvens giver det mulighed for at fange mere energi end konventionelle celler fra den samme lysmængde. Det bruges også sammen med superledere til at producere detektorer, der ligner dem, der bruges i digitale kameraer, med undtagelse af at de kan se ultraviolette, røntgenstråler og mange andre typer bølgeformenergier og -strålinger.