Wat is een tunnelverbinding?
Een tunnelverbinding is een punt waar twee verschillende elektrisch geleidende of magnetische materialen elkaar ontmoeten, meestal gescheiden door een dunne barrière, om elektronen van het ene materiaal naar het andere te laten gaan. Het bepalende aspect van een tunnelovergang is dat mechanisch gezien de elektronen te zwak zijn om de verbindingsbarrière te penetreren, maar dit toch doen, hoewel een principe dat kwantumtunneling wordt genoemd. Tunnelovergangen zijn nuttig in veel snelwerkende elektronische apparaten, zoals flashgeheugenchips, het verhogen van de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen en de constructie van extreem snelle diodes die op hogere frequenties kunnen reageren dan anders mogelijk zou zijn.
Het principe van kwantumtunneling, waarop de werking van alle tunnelknooppunten is gebaseerd, is gebaseerd op theorieën van de kwantummechanica. Deze theorieën stellen dat hoewel een elektron wiskundig niet de actieve mechanische energie heeft om de opgeslagen energie van een gegeven barrière te passeren, de kansen dat een gegeven elektron de barrière doorbreekt, hoewel extreem klein, niet nul zijn. Omdat het passeren van een elektron, hoewel een duidelijk superieure barrière, normaal gesproken niet wiskundig of mechanisch mogelijk is, maar toch bestaat, hebben wetenschappers vermoed dat het elektron dit bereikt als resultaat van een kwantummechanica-theorie genaamd dualiteit van golfdeeltjes.
De dualiteitstheorie van golfdeeltjes stelt dat alle vormen van materie, elektriciteit in het geval van een tunnelknooppunt, gelijktijdig in twee afzonderlijke toestanden bestaan. Ten eerste bestaat de materie als een deeltje, zoals een elektron, dat vanwege zijn massa en snelheid een bepaalde hoeveelheid actieve mechanische energie heeft. Ten tweede bestaat de materie als een golfvorm, die op een bepaalde frequentie werkt en vibreert.
Als gevolg van dualiteit van golfdeeltjes heeft een elektron mogelijk niet de actieve mechanische energie om door een barrière te gaan; bij een frequentie die hoog genoeg is, kan het echter voldoende golfvormenergie hebben om door de barrière te gaan. Bij een frequentie die hoog genoeg is, kan de golfvormenergie van een elektron letterlijk trillen door de laagfrequente barrière in een actie die kwantumtunneling wordt genoemd. Als gevolg van de zeer hoge frequenties die gepaard gaan met kwantumtunneling, gebeuren de acties van de betrokken elektronen extreem snel, waardoor een apparaat dat een tunnelverbinding gebruikt, extreem snel kan werken. Deze snelheid kan vervolgens worden gebruikt om de werking van elektrische apparatuur te versnellen of om zeer snel bewegende energievormen zoals lichtgolven te detecteren, identificeren en erop te reageren.
In de praktijk worden tunnelverbindingen vooral in de elektronica gebruikt. Ze bieden de snelheid voor lezen en schrijven van en naar flashgeheugen, maken de productie van extreem snelle oscillatoren mogelijk die de operationele snelheid van computers verhogen, en laten de bouw toe van wetenschappelijke instrumenten die kunnen detecteren en werken in omgevingen met veel straling.
Het tunnelknooppunt kan ook worden gebruikt om te communiceren met lichtenergie en is betrokken bij een aantal lichtgerelateerde onderzoeksprojecten. In onderzoek naar schone energie wordt het opgenomen in zeer efficiënte zonnecellen, waar het dankzij zijn hoge operationele frequenties meer energie kan opvangen dan conventionele cellen uit dezelfde hoeveelheid licht. Het wordt ook gebruikt in combinatie met supergeleiders om detectoren te produceren die vergelijkbaar zijn met die in digitale camera's, met uitzondering dat ze ultraviolet, röntgenstralen en vele andere soorten golfvorm-energieën en straling kunnen zien.