Kuantum tünellemenin E enerjili bir parçacığın sahip olduğu enerjisinden daha büyük bir enerjili bir engelden geçebilme olasılığını ortaya koyan bir tür kuantum mekaniksel olgu olduğunu “Kuantum Tünelleme Nedir?” isimli yazımızda detaylı olarak ifade etmiştik. Bu yazımızda da kuantum tünellemenin uygulama alanlarına değineceğiz.
Josephson Eklemler
Josephson eklemleri süperiletken olmayan bir malzeme ki bu bir yalıktan olabilir veya bir fiziksel kusur, işte bu çok ince katmanlı süperiletken olmayan malzeme ile ayrılan iki süperiletkenden oluşur. Süperiletkenlik akımı engel boyunca tünelleyebilir ve bu sistemin elektriksel özelliklerini çok hassas bir şekilde tanımlar. Bu son derece hassas ölçümler için çeşitli eşsiz uygulamalara yol açar. Josephson eklemleri süperiletken elektroniği, kuantum bilgisayarlarında yaygın olan bileşenlerdendir ve aynı zamanda son derece zayıf manyetik alanları ölçebilen süperiletken kuantum girişim aygıtlarında (SQUID) kapsamlı olarak kullanılırlar.
Taramalı Tünellemeli Mikroskoplar
Bir STM’in şeması – tünelleme akımı yüzeydeki atomlar ve uç arasındaki uzaklığa göre değişir ve bu da kusurları hatta birbirinden ayrı atomları haritalamaya olanak tanır.
Bir Taramalı Tünellemeli Mikroskop (STM) bir malzemenin yüzeyi üzerini çok keskin iletken bir sondanın taramasıyla çalışır. Bir elektriksel akım, sondanın aşağı ucuna geçer ve malzeme içine boşluğu geçerek tünelleme yapar. Boşluğu geniş veya daha dar hale getirdikçe, tünelleme akımı sırasıyla daha küçülür veya daha da büyür. Bu veri kullanılarak, bilim insanları malzemenin yüzeyinin inanılmaz bir şekilde ayrıntılı resmini oluşturabilmekteler. Hatta birbirinden ayrı atomlara bağlı olarak yüzeydeki kamburlukları bile çözme noktasına gelmişlerdir. Bu teknik yüzeylerin kimyası ve fiziğinin anlaşılmasında yeni atılımların oluşmasını sağladı.
USB Bellekler
Bir floating-geçit transistörün şeması. Floating geçitte tuzaklanan bir elektron kontrol geçitine karşı gerilimde bir değişime neden olur. Her bir transistör bilginin bir bitini/parçasını depolar.
USB bellekler üzerindeki veriler “floating-geçit” transistörlerinden yapılan bir hafıza hücreler ağında depolanır. İki metal geçitten oluşur, biri kontrol geçiti diğeri floating (yüzen) geçit. Floating geçit bir yalıtkan metal oksit tabakası içinde tutulur. Normal durumdaki bir floating-geçit transistör ikili kod sisteminde bir “1¨i kaydeder. Bir elektron floating geçite eklendiğinde, elektron oksit katmanında tuzaklanmış olur, böylece kontrol geçitin gerilimindeki değişimin etkilenmesiyle bu durumdaki bir transistör ikili kod sisteminde bir “0¨ı kaydetmiş olur.
Veriler USB bellekten silindiğinde, kontrol geçitine uygulanan güçlü pozitif bir yük yalıtkan katman boyunca tuzaklanan elektronun tünellemesine neden olur. Böylece hafıza hücresi “1¨ durumuna geri dönmüş olur.
Tünel Diyodu
Bir diyot p-tipi ve n-tipi yarıiletken malzemelerden oluşur. Bu p-tipi ve n-tipi bölgeler arasında bir tükenme bölgesi yer almaktadır. Tünel diyodu tükenme bölgesi çok dardır (yaklaşık 0.1 nanometre) ve n iletim bandının alt kısmı, p değerlik bandının üst kısmı çakışıktır. Böylesine bir yapıda elektronların yasak enerji bandını “kuantum tünelleme” yoluyla geçtiği diyotlara tünel diyot denir. Diyoda bir dış gerilim uygulanmadığında, elektronlar yasak bandın her iki yönünden de eşit sayılarda tünelleme yaparlar ve diyot boyunca Fermi enerjisi sabit kalır[2].
Tünel diyodun akım-gerilim karakteristiğine bakıldığında normal bir eklem diyottan farklı olarak belirli bir gerilimde bir akım piki görülür. Bu akım piki tünelleme akımı olarak adlandırılır ve tünel diyotun karakteristiğini oluşturur.
Alfa Bozunumu
Ayrıca alfa bozunumu gibi bir nükleer reaksiyonda/olayda da kuantum tünellemesi söz konusudur. Alfa bozunumu yani bir alfa parçacığının (Helyum çekirdeği) bir çekirdekten (Helyum çekirdeğinden daha büyük bir çekirdek) çıkması klasik fiziğe göre mümkün değildir. Kuantum mekaniğinin olasılıkçı bakış açısıyla bu mümkündür ve bir alfa parçacığının çekirdek kurtulup alfa bozunumunun oluşması böylece açıklanabilmektedir. Alfa bozunumunun tünel kuramına göre bir alfa parçacığı bir ağır çekirdek içinde sürekli hareket halindedir ve bu hareketi potansiyel bir engelle (çekirdek) sınırlanır. Parçacık her engele çarptığı zaman engelden tünellemesi için küçük de olsa belirli bir olasılık vardır. Dolayısıyla kuantum mekaniği, kuatum tünelleme yoluyla alfa bozunumunu da açıklayabilmektedir.
Kuantum mekaniğini de mikroskopik ölçekle sınırlı olduğunu düşünenler yanılıyor, tıpkı bu yazıda anlatılan uygulamalarda olduğu gibi kuantum etkilerinin makroskopik dünyamıza adeta tünelleme yaparak sızdığını görüyoruz.
“Bence, söyleyebilirim ki hiç kimse kuantum mekaniğinden anlamıyor.” Richard Feynman
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Gazi Üni. Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynaklar:
- http://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=12
- Arthur Beiser, Modern Fiziğin Kavramları, Çev. Gülsen Önengüt, McGraw Hill, Akademi Yayıncılık
