Qu'est-ce qu'une jonction de tunnel?
Une jonction tunnel est un point de rencontre de deux matériaux électriquement conducteurs ou magnétiques différents, généralement séparés par une barrière mince, dans le but de faire passer des électrons d'un matériau à l'autre. L'aspect déterminant d'une jonction tunnel est que, d'un point de vue mécanique, les électrons sont trop faibles pour pénétrer dans la barrière de jonction, mais ils le font malgré tout selon un principe appelé tunnel quantique. Les jonctions tunnel sont utiles dans de nombreux dispositifs électroniques à action rapide, tels que les puces de mémoire flash, qui augmentent l'efficacité des cellules photovoltaïques et la construction de diodes extrêmement rapides capables de réagir à des fréquences plus élevées que celles qui seraient autrement possibles.
Le principe du tunneling quantique, sur lequel est basé le fonctionnement de toutes les jonctions tunnel, est établi sur des théories de la mécanique quantique. Ces théories affirment que même si mathématiquement un électron manque de l'énergie mécanique active pour traverser l'énergie stockée d'une barrière donnée, les chances qu'un électron donné franchisse la barrière, bien que extrêmement faible, ne sont pas nulles. Comme le passage d'un électron, bien qu'une barrière évidemment supérieure, ne soit pas possible d'un point de vue mathématique ou mécanique, il existe néanmoins des scientifiques qui ont supposé que cet électron était le résultat d'une théorie de la mécanique quantique appelée dualité onde-particule.
La théorie de la dualité onde-particule affirme que toutes les formes de la matière, l'électricité dans le cas d'une jonction tunnel, existent simultanément dans deux états distincts. Premièrement, la matière existe sous forme de particule, telle qu'un électron, qui possède une certaine quantité d'énergie mécanique active en raison de sa masse et de sa vitesse. Deuxièmement, la matière existe sous la forme d’une onde qui fonctionne et vibre à une certaine fréquence.
En raison de la dualité onde-particule, un électron peut ne pas avoir l'énergie mécanique active pour passer à travers une barrière; cependant, à une fréquence suffisamment élevée, il peut avoir suffisamment d'énergie de forme d'onde pour traverser la barrière. À une fréquence suffisamment élevée, l'énergie de la forme d'onde d'un électron peut littéralement vibrer à travers la barrière des basses fréquences dans le cadre d'une action appelée tunneling quantique. En raison des très hautes fréquences impliquées dans le tunneling quantique, les actions des électrons impliqués se produisent extrêmement rapidement, ce qui permet à un dispositif utilisant une jonction tunnel de fonctionner extrêmement rapidement. Cette vitesse peut ensuite être utilisée pour accélérer le fonctionnement des équipements électriques ou pour détecter, identifier et réagir à des formes d’énergie très rapides, telles que les ondes lumineuses.
En pratique, les jonctions tunnel sont principalement utilisées dans l'électronique. Ils fournissent la vitesse de lecture et d’écriture vers et depuis la mémoire flash, permettent la fabrication d’oscillateurs extrêmement rapides augmentant la vitesse de fonctionnement des ordinateurs et permettent la construction d’instruments scientifiques capables de détecter et de fonctionner dans des environnements soumis à de fortes radiations.
La jonction tunnel peut également être utilisée pour interagir avec l'énergie lumineuse et participe à plusieurs projets de recherche liés à la lumière. Dans la recherche sur les énergies propres, il est intégré dans les cellules solaires à haute efficacité, où ses fréquences de fonctionnement élevées lui permettent de capter plus d'énergie que les cellules classiques avec la même quantité de lumière. Il est également utilisé avec des supraconducteurs pour produire des détecteurs similaires à ceux utilisés dans les appareils photo numériques, à l'exception du fait qu'ils peuvent détecter les rayons ultraviolets, les rayons X et de nombreux autres types d'énergies et de radiations.