Quando um objeto encontra uma barreira, é uma compreensão intuitiva de que o objeto vai parar ou ser desviado de volta (porque a barreira pode parar o objeto). Agora, embora seja assim que o mundo da mecânica clássica funciona, essas situações relativamente simples tornam-se um pouco complicadas quando descemos ao reino quântico. Em termos simples, o tunelamento quântico se refere a um fenômeno em que um elétron é capaz de passar por uma barreira e passar para o outro lado. No entanto, como Richard Feynman diz, se você acha que entende QM (Quantum Mechanics), você não entende nada. Tão simples quanto o conceito de tunelamento quântico é, vamos mergulhar direto para entender suas nuances mais complexas.
Os fundamentos
(Crédito da foto: Fundação Marcel-André Baschet & Nobel / Wikimedia Commons)
Entender o tunelamento quântico em um sentido mais intuitivo envolve revisitar alguns conceitos de QM. O primeiro que vamos analisar é o Princípio da Incerteza de Heisenberg. O Princípio da Incerteza de Heisenberg entra em jogo quando se tenta observar partículas. Afirma que existe um limite até o qual se pode determinar os vários parâmetros de uma partícula com um certo grau de precisão. Para entender isso melhor, vamos pegar dois parâmetros – velocidade e a posição de uma partícula – e digamos que a partícula que estamos considerando é um elétron. Agora, de acordo com o Princípio da Incerteza de Heisenberg, existe um limite específico até o qual tanto a posição quanto a velocidade do elétron podem ser calculadas com um certo grau de precisão. Se focarmos em aumentar a precisão de qualquer um desses parâmetros com mais detalhes e foco, a outra configuração diminuiria em seu nível de precisão com relação à sua medição. Assim, se você puder determinar a posição de um elétron com alta precisão, então você não poderá medir sua velocidade com grande precisão. Por outro lado, se você puder medir a velocidade de um elétron com um grande grau de precisão, não será capaz de determinar com precisão a posição do elétron.
(Crédito da foto: Yuvalr / Wikimedia Commons)
Agora, outro princípio fundamental que deve ser entendido é a natureza ondulatória da matéria . A natureza ondulatória de uma partícula é um aspecto crucial de um elemento da QM, chamado dualidade onda-partícula . No conceito de dualidade onda-partícula, cada partícula fundamental pode ser descrita em termos de ser uma partícula e uma onda. Isso foi proposto por Louis De Broglie em 1924 em sua tese de doutorado, que afirmava que, se a luz possuísse tanto uma natureza parecida com uma onda quanto uma partícula, um elétron também poderia ter uma natureza dupla de partículas-onda. Foi através do relacionamento de De Broglie que ele propôs em seu PhD que fomos capazes de estabelecer a natureza ondulatória da matéria. O relacionamento é o seguinte:
Aqui, lambda representa o comprimento de onda da partícula e ‘p’ representa o momento da partícula. O significado do relacionamento de Broglie é que ele estabelece uma base para o fato de que a matéria pode se comportar como uma onda. A experiência de Davisson-Germer provou a natureza ondulatória da matéria, sem dúvida, baseada na difração de elétrons através de um cristal.
Mais tarde, a natureza ondulatória da matéria foi perfeitamente integrada ao Princípio da Incerteza de Heisenberg. O Princípio da Incerteza afirma que para um elétron ou qualquer outra partícula, tanto o momento quanto a posição não podem ser conhecidos com precisão ao mesmo tempo. Há sempre alguma incerteza com a posição ‘delta x’ ou com o momento, ‘delta p’. A equação de incerteza de Heisenberg é:
Juntando tudo
O efeito de tunelamento quântico é um fenômeno quântico que ocorre quando partículas se movem através de uma barreira que, de acordo com as teorias da física clássica, deve ser impossível de passar. A barreira pode ser um meio fisicamente intransponível, como um isolante ou um vácuo, ou uma região de alta energia potencial. Ao encontrar uma barreira, uma onda quântica não terminará abruptamente; em vez disso, sua amplitude diminuirá exponencialmente. Essa queda na amplitude corresponde a uma queda na probabilidade de encontrar uma partícula na barreira. Se a barreira for fina o suficiente, então a amplitude pode ser diferente de zero no outro lado. Isso implicaria que há uma probabilidade finita de que algumas das partículas irão atravessar a barreira. A corrente de tunelamento é definida como a razão entre a densidade de corrente emergente da barreira e a densidade de corrente incidente na barreira. Se este coeficiente de transmissão através da barreira for um valor diferente de zero, então existe uma possibilidade finita de que a partícula possa atravessar a barreira.
(Crédito da foto: Felix Kling / Wikimedia Commons)
Sua capacidade aparente de saltar as lacunas exemplifica uma das consequências da luz ter um aspecto de onda. Por exemplo, a luz penetrando através de um bloco de vidro em um ângulo raso é efetivamente aprisionada dentro do vidro pela barreira de ar no lado mais distante, a menos que um segundo bloco de vidro seja colocado próximo a ele (mas sem tocar). Devido à natureza espalhada da onda, parte dela penetra a barreira de ar e, se encontrar mais vidro além, ela pode continuar, aparentemente pulando a abertura de ar e escapando de sua prisão. Algo semelhante acontece na escala subatômica, quando as partículas alfa tentam escapar dos núcleos instáveis durante o decaimento radioativo. As partículas são efetivamente mantidas no núcleo pelas forças nucleares e, em princípio, não devem ser capazes de escapar. No entanto, escapar eles fazemgraças ao tunelamento quântico e ao princípio da incerteza!
