隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)是指當(dāng)微觀顆粒穿越勢(shì)壘時(shí)，由于波函數(shù)的量子特性，在勢(shì)壘區(qū)域內(nèi)也存在一定概率密度，因而能夠以某種方式通過(guò)勢(shì)壘。這種現(xiàn)象被稱為隧道效應(yīng)。

1.隧道效應(yīng)是什么

隧道效應(yīng)是個(gè)量子力學(xué)現(xiàn)象，發(fā)生在微觀尺度的對(duì)象穿越一個(gè)高于其動(dòng)能的勢(shì)壘時(shí)。在經(jīng)典物理學(xué)中，物體必須具備足夠的能量才可跨越節(jié)數(shù)高的勢(shì)壘。但在量子世界中，即使沒(méi)有足夠的能量，微觀粒子也有極小概率能夠越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入禁閉區(qū)域。

2.隧道效應(yīng)的原理

隧道效應(yīng)的產(chǎn)生，是基于量子力學(xué)的波粒二象性和不確定性原理。由于波粒二象性，微觀粒子可以表現(xiàn)出像電磁波那樣的波動(dòng)性質(zhì)，同時(shí)又像粒子那樣表現(xiàn)出特定的位置和動(dòng)量；而不確定性原理則說(shuō)明了存在測(cè)量上的限制，即如果某個(gè)粒子在動(dòng)量方面得到了確定，那么關(guān)于它位置的測(cè)量結(jié)果就會(huì)更加模糊。

這種波粒二象性和不確定性原理，使得微觀物體可以表現(xiàn)出一些非常奇特的效應(yīng)。其中隧道效應(yīng)就是一個(gè)顯著的例子。當(dāng)微觀物體碰到一個(gè)勢(shì)壘時(shí)，由于波函數(shù)的能量擴(kuò)散，部分波函數(shù)會(huì)穿越勢(shì)壘通過(guò)隧道進(jìn)入禁閉區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)“穿墻”效果，這就是隧道效應(yīng)。

3.隧道效應(yīng)的應(yīng)用

隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體技術(shù)、掃描隧道顯微鏡、核聚變反應(yīng)等方面都有著重要的應(yīng)用。

半導(dǎo)體技術(shù)中，隧道效應(yīng)被用于存儲(chǔ)芯片、調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)控制等方面。例如，在MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）中，利用隧道效應(yīng)，漏端電流突破了傳統(tǒng)經(jīng)典限制，使得芯片更加高速、高集成度和低功耗。

掃描隧道顯微鏡（STM）則是一種利用機(jī)械擺動(dòng)的探針，通過(guò)隧穿亮化和弱震動(dòng)探測(cè)物體表面結(jié)構(gòu)的裝置。

在核聚變反應(yīng)中，粒子需要有足夠的能量才能克服相互作用力，實(shí)現(xiàn)聚變。但如果溫度不夠高，則常規(guī)方法無(wú)法讓質(zhì)子以足夠高的概率進(jìn)入禁閉區(qū)域。而將兩個(gè)同位素氫在恰當(dāng)條件下壓縮形成D-T等效燃料時(shí)，可以利用隧道效應(yīng)讓帶電離子以合適的速度進(jìn)入禁閉區(qū)域，實(shí)現(xiàn)引爆并維持聚變反應(yīng)。