Co to jest tunel?
Złącze tunelowe to punkt, w którym spotykają się dwa różne materiały przewodzące prąd elektryczny lub magnetyczny, zwykle oddzielone cienką barierą, w celu przepuszczenia elektronów z jednego materiału do drugiego. Kluczowym aspektem połączenia tunelowego jest to, że mechanicznie elektrony są zbyt słabe, aby przeniknąć barierę złącza, ale i tak robią to za pomocą zasady zwanej tunelowaniem kwantowym. Złącza tunelowe są przydatne w wielu szybko działających urządzeniach elektronicznych, takich jak układy pamięci flash, zwiększające wydajność ogniw fotowoltaicznych oraz w budowie wyjątkowo szybkich diod zdolnych do reagowania na wyższych częstotliwościach niż byłoby to możliwe.
Zasada tunelowania kwantowego, na której opiera się działanie wszystkich połączeń tunelowych, oparta jest na teoriach mechaniki kwantowej. Teorie te twierdzą, że chociaż matematycznie elektronowi brakuje czynnej energii mechanicznej, aby przejść przez zmagazynowaną energię danej bariery, szanse na to, że jakikolwiek elektron przejdzie przez barierę, choć bardzo małe, nie są równe zero. Ponieważ przepływ elektronu, choć oczywiście lepsza bariera, nie jest zwykle matematycznie ani mechanicznie możliwy, ale istnieje, naukowcy przypuszczają, że elektron osiąga to w wyniku teorii mechaniki kwantowej zwanej dualnością cząsteczek falowych.
Teoria dualności falowo-cząsteczkowej stwierdza, że wszystkie formy materii, elektryczność w przypadku połączenia tunelowego, istnieją jednocześnie w dwóch osobnych stanach. Po pierwsze, materia istnieje jako cząstka, taka jak elektron, która ma pewną ilość czynnej energii mechanicznej ze względu na swoją masę i prędkość. Po drugie, materia istnieje w postaci fali, która działa i wibruje z określoną częstotliwością.
W wyniku dualizmu cząstek i fal elektron może nie mieć aktywnej energii mechanicznej, aby przejść przez barierę; jednak przy wystarczająco wysokiej częstotliwości może mieć wystarczającą energię fali, aby przejść przez barierę. Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości energia fali elektronu może dosłownie wibrować przez barierę niskiej częstotliwości w działaniu zwanym tunelowaniem kwantowym. W wyniku bardzo wysokich częstotliwości związanych z tunelowaniem kwantowym działania zaangażowanych elektronów zachodzą niezwykle szybko, co pozwala urządzeniu, które wykorzystuje złącze tunelowe, działać bardzo szybko. Tę prędkość można następnie wykorzystać do przyspieszenia działania sprzętu elektrycznego lub do wykrywania, identyfikacji i reagowania na bardzo szybko poruszające się formy energii, takie jak fale świetlne.
W praktyce skrzyżowania tunelowe są stosowane przede wszystkim w elektronice. Zapewniają szybkość odczytu i zapisu do iz pamięci flash, pozwalają na wytwarzanie niezwykle szybkich oscylatorów, które zwiększają prędkość operacyjną komputerów, oraz pozwalają na budowę instrumentów naukowych, które mogą wykrywać i działać w środowiskach o wysokim promieniowaniu.
Węzeł tunelowy można również wykorzystać do interakcji z energią świetlną i bierze udział w wielu projektach badawczych związanych ze światłem. W badaniach nad czystą energią jest on włączany do wysokowydajnych ogniw słonecznych, gdzie jego wysokie częstotliwości operacyjne pozwalają mu wychwycić więcej energii niż konwencjonalne ogniwa z tej samej ilości światła. Jest on również używany w połączeniu z nadprzewodnikami do produkcji detektorów podobnych do tych używanych w aparatach cyfrowych, z tym wyjątkiem, że mogą widzieć ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie oraz wiele innych rodzajów energii i promieniowania falowego.