Was ist eine Tunnelkreuzung?
Ein Tunnelübergang ist ein Punkt, an dem sich zwei verschiedene elektrisch leitende oder magnetische Materialien treffen, die normalerweise durch eine dünne Barriere getrennt sind, um Elektronen von einem Material zum anderen zu leiten. Der entscheidende Aspekt eines Tunnelübergangs ist, dass die Elektronen mechanisch gesehen zu schwach sind, um die Übergangssperre zu durchdringen, dies jedoch nach dem Prinzip des Quantentunnelns. Tunnelübergänge sind in vielen schnell wirkenden elektronischen Geräten wie Flash-Speicherchips nützlich, erhöhen den Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen und bauen extrem schnelle Dioden auf, die bei höheren Frequenzen reagieren können, als dies sonst möglich wäre.
Das Prinzip des Quantentunnelns, auf dem der Betrieb aller Tunnelübergänge basiert, basiert auf quantenmechanischen Theorien. Diese Theorien besagen, dass, obwohl einem Elektron mathematisch die aktive mechanische Energie fehlt, um die gespeicherte Energie einer bestimmten Barriere zu durchdringen, die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Elektron die Barriere durchbricht, zwar extrem gering, aber nicht Null ist. Da der Durchgang eines Elektrons durch eine offensichtlich überlegene Barriere normalerweise weder mathematisch noch mechanisch möglich ist, aber dennoch existiert, haben Wissenschaftler vermutet, dass das Elektron dies als Ergebnis einer quantenmechanischen Theorie namens Wellen-Teilchen-Dualität erreicht.
Die Welle-Teilchen-Dualitätstheorie besagt, dass alle Formen der Materie, Elektrizität im Fall eines Tunnelübergangs, gleichzeitig in zwei getrennten Zuständen existieren. Erstens existiert die Materie als ein Teilchen wie ein Elektron, das aufgrund seiner Masse und Geschwindigkeit eine bestimmte Menge an aktiver mechanischer Energie besitzt. Zweitens existiert die Materie als Wellenform, die mit einer bestimmten Frequenz arbeitet und vibriert.
Infolge der Welle-Teilchen-Dualität hat ein Elektron möglicherweise nicht die aktive mechanische Energie, um eine Barriere zu passieren. Bei einer ausreichend hohen Frequenz kann es jedoch genügend Wellenformenergie haben, um die Barriere zu passieren. Bei einer ausreichend hohen Frequenz kann die Wellenformenergie eines Elektrons in einer als Quantentunnel bezeichneten Aktion buchstäblich durch die Niederfrequenzbarriere schwingen. Infolge der sehr hohen Frequenzen, die mit dem Quantentunneling verbunden sind, geschehen die Aktionen der beteiligten Elektronen sehr schnell, wodurch ein Gerät, das einen Tunnelübergang verwendet, sehr schnell arbeiten kann. Diese Geschwindigkeit kann dann entweder verwendet werden, um den Betrieb elektrischer Geräte zu beschleunigen oder um sich sehr schnell bewegende Energieformen wie Lichtwellen zu erkennen, zu identifizieren und darauf zu reagieren.
In der Praxis werden Tunnelübergänge hauptsächlich in der Elektronik eingesetzt. Sie bieten die Geschwindigkeit für das Lesen und Schreiben in und aus Flash-Speichern, ermöglichen die Herstellung extrem schneller Oszillatoren, die die Betriebsgeschwindigkeit von Computern erhöhen, und ermöglichen den Bau wissenschaftlicher Instrumente, die strahlungsintensive Umgebungen erkennen und betreiben können.
Der Tunnelübergang kann auch zur Interaktion mit Lichtenergie genutzt werden und ist an einer Reihe von lichtbezogenen Forschungsprojekten beteiligt. In der Forschung für saubere Energie wird es in hocheffiziente Solarzellen eingebaut, wo es aufgrund seiner hohen Betriebsfrequenzen möglich ist, bei gleicher Lichtmenge mehr Energie als herkömmliche Zellen einzufangen. Es wird auch in Verbindung mit Supraleitern verwendet, um Detektoren zu erzeugen, die denen von Digitalkameras ähneln, mit der Ausnahme, dass sie Ultraviolett-, Röntgen- und viele andere Arten von Wellenformenergien und -strahlungen sehen können.