Что такое туннельный узел?

Туннельный переход - это точка, где встречаются два различных электропроводящих или магнитных материала, обычно разделенных тонким барьером, с целью передачи электронов из одного материала в другой. Определяющим аспектом туннельного перехода является то, что, механически говоря, электроны слишком слабы, чтобы проникнуть через барьер перехода, но делают это в любом случае, хотя принцип называется квантовым туннелированием. Туннельные переходы полезны во многих быстродействующих электронных устройствах, таких как микросхемы флэш-памяти, для повышения эффективности фотоэлектрических элементов и создания чрезвычайно быстрых диодов, способных реагировать на более высоких частотах, чем это было бы возможно в противном случае.

Принцип квантового туннелирования, на котором основана работа всех туннельных переходов, установлен на теориях квантовой механики. Эти теории утверждают, что, хотя математически электрону не хватает активной механической энергии для прохождения через накопленную энергию данного барьера, шансы любого данного электрона на преодоление барьера, хотя и чрезвычайно малы, не равны нулю. Поскольку прохождение электрона через явно превосходящий барьер обычно не является математически или механически возможным, но, тем не менее, существует, ученые предположили, что электрон выполняет это в результате теории квантовой механики, называемой дуальностью волны-частицы.

Теория двойственности волн и частиц утверждает, что все формы материи, электричество в случае туннельного перехода, существуют одновременно в двух отдельных состояниях. Во-первых, материя существует в виде частицы, такой как электрон, которая имеет определенное количество активной механической энергии благодаря своей массе и скорости. Во-вторых, материя существует как форма волны, которая работает и вибрирует с определенной частотой.

В результате дуальности волны-частицы электрон может не иметь активной механической энергии, чтобы пройти через барьер; однако на достаточно высокой частоте у него может быть достаточно энергии формы волны, чтобы пройти через барьер. На достаточно высокой частоте энергия формы волны электрона может буквально вибрировать через низкочастотный барьер в действии, называемом квантовым туннелированием. В результате очень высоких частот, связанных с квантовым туннелированием, действия участвующих электронов происходят чрезвычайно быстро, что позволяет устройству, использующему туннельный переход, работать чрезвычайно быстро. Затем эту скорость можно использовать для ускорения работы электрооборудования или для обнаружения, идентификации и реагирования на очень быстро движущиеся формы энергии, такие как световые волны.

На практике туннельные узлы используются в основном в электронике. Они обеспечивают скорость чтения и записи во флэш-память и из нее, позволяют изготавливать чрезвычайно быстрые генераторы, которые увеличивают скорость работы компьютеров, и позволяют создавать научные приборы, способные обнаруживать и работать в условиях высокой радиации.

Туннельный переход также может быть использован для взаимодействия со световой энергией и участвует в ряде исследовательских проектов, связанных со светом. В исследованиях в области чистой энергии он включается в высокоэффективные солнечные элементы, где его высокие рабочие частоты позволяют ему захватывать больше энергии, чем обычные элементы, из того же количества света. Он также используется в сочетании со сверхпроводниками для производства детекторов, аналогичных тем, которые используются в цифровых камерах, за исключением того, что они могут видеть ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и многие другие типы энергии и излучения сигналов.