Bagaimanakah Elektron Boleh Menembusi Penghalang?

Bayangkan sebiji bola bergerak menuju sebuah bukit. Jika tenaga bola tidak cukup untuk mencapai puncak, bola akan berhenti lalu bergerak semula ke bawah. Gambaran klasik ini berfungsi baik bagi banyak objek harian, tetapi zarah kuantum seperti elektron tidak diterangkan hanya sebagai objek kecil yang mengikut satu lintasan tertentu.

Keadaan kuantum elektron diterangkan melalui fungsi gelombang, dan penerangan ini membolehkan hasil yang mustahil dalam gambaran klasik. Salah satunya ialah penerowongan kuantum, iaitu kebarangkalian mengesan zarah di seberang penghalang yang tidak dapat dilalui menurut fizik klasik.

Apakah yang dimaksudkan dengan penghalang?

Penghalang dalam penerowongan kuantum tidak semestinya dinding fizikal. Ia ialah kawasan yang mempunyai tenaga keupayaan lebih tinggi daripada tenaga zarah. Dalam gambaran klasik, jika tenaga zarah E lebih rendah daripada ketinggian penghalang V, zarah itu tidak boleh melaluinya dan akan dipantulkan.

Mekanik kuantum memberikan ramalan yang berbeza. Keadaan zarah diterangkan oleh fungsi gelombang, lazimnya ditulis ψ, dan kuantiti |ψ|² ialah ketumpatan kebarangkalian untuk mendapat hasil kedudukan tertentu apabila pengukuran dibuat. Apabila fungsi gelombang mencapai penghalang terhingga, ia tidak menjadi sifar serta-merta di sempadan. Dalam kawasan yang terlarang secara klasik, amplitudnya biasanya berkurang secara eksponen.

Jika penghalang cukup nipis, amplitud itu masih belum menjadi sifar apabila sampai ke hujung sebelah lagi. Maka terdapat kebarangkalian bukan sifar untuk mengesan zarah di seberang.

Adakah elektron membuat lubang pada penghalang?

Tidak. Perkataan “penerowongan” ialah nama dan analogi visual. Elektron tidak perlu menggali terowong, memecahkan penghalang atau memperoleh tenaga tambahan seketika untuk melompat ke atasnya.

Bagi penghalang segi empat mudah dengan E < V, amplitud fungsi gelombang di dalam penghalang menurun kira-kira seperti fungsi eksponen. Kebarangkalian penghantaran amat sensitif terhadap lebar dan ketinggian penghalang: penghalang yang lebih lebar atau lebih tinggi menjadikan penerowongan kurang berkemungkinan. Hubungannya bukan sekadar berkadar secara linear, kerana kebergantungan eksponen menyebabkan perubahan jarak yang sangat kecil boleh menghasilkan perubahan arus penerowongan yang besar.

Mengapa kesan ini biasanya tidak kelihatan pada objek harian?

Penerowongan ialah fenomena kuantum yang umum, tetapi kebarangkaliannya bergantung pada sifat sistem, termasuk jisim dan penghalang yang terlibat. Bagi objek makroskopik seperti bola, gabungan jisim yang besar dengan skala penghalang harian menjadikan kebarangkalian penerowongan luar biasa kecil. Itulah sebabnya kita tidak pernah melihat bola tiba-tiba muncul di seberang dinding.

Elektron jauh lebih ringan. Pada jarak atom atau nanometer, kesan penerowongan boleh menjadi cukup besar untuk diukur dan digunakan dalam instrumen.

Mikroskop yang bergantung pada penerowongan

Mikroskop penerowongan imbasan, atau STM, ialah contoh langsung kegunaan fenomena ini. STM menggunakan hujung pengalir yang sangat tajam dan mendekatkannya kepada permukaan pengalir sehingga jaraknya hanya pecahan nanometer. Hujung itu tidak perlu menyentuh permukaan. Apabila voltan kecil dikenakan, arus penerowongan boleh mengalir antara hujung dan sampel.

Perkara yang menjadikan teknik ini sangat berkuasa ialah kepekaan arus tersebut terhadap jarak. NIST menerangkan bahawa pada pemisahan beberapa diameter atom, arus penerowongan meningkat dengan cepat apabila jarak hujung dengan permukaan dikurangkan, dan perubahan yang kuat ini membolehkan resolusi atom dicapai semasa hujung diimbas merentasi permukaan. Dalam satu mod operasi, sistem maklum balas menggerakkan hujung naik dan turun untuk mengekalkan arus penerowongan pada nilai yang ditetapkan, dan rekod gerakan hujung itu membantu membina gambaran permukaan.

Namun imej STM tidak patut dianggap sebagai “gambar foto atom”. Isyaratnya bergantung pada arus penerowongan dan struktur elektronik setempat, bukan semata-mata bentuk geometri permukaan. Kajian STM juga boleh memperoleh maklumat spektroskopi melalui hubungan arus dengan voltan secara setempat.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Daripada mengesan kepada menggerakkan atom

Kepekaan STM bukan sahaja membolehkan permukaan dipetakan. Dengan mengubah keadaan hujung dan permukaan, atom individu pada permukaan juga boleh dimanipulasi. NIST menerangkan bahawa STM boleh mengawal jarak hujung dengan ketepatan pikometer. Untuk pengimejan, hujung boleh diletakkan kira-kira 1 nm daripada atom supaya atom itu tidak terganggu, manakala untuk manipulasi, hujung dibawa lebih dekat sehingga interaksinya dengan atom menjadi jauh lebih kuat.

Pada 1990, penyelidik IBM menggunakan STM untuk menyusun atom xenon secara individu sehingga membentuk huruf “IBM”. Eksperimen itu menunjukkan bahawa instrumen berasaskan penerowongan boleh digunakan bukan sahaja untuk mengkaji dunia atom, tetapi juga untuk mengubah susunan atom secara terkawal.