صرف نظر از تفاسیر متفاوتی که از مکانیک کوانتومی شده و میشود، ما دهههاست که در حال استفاده از مکانیک کوانتومی و ویژگیهای جذاب آن هستیم. حتی با اینکه هنوز نمیدانیم کدام تفسیر مکانیک کوانتومی صحیح و مطابق با واقعیت جهان است، ما هر روز شاهد کاربردهای جدیدتر و وسیعتر مکانیک کوانتومی هستیم. محض مثال، به تصویر میکروسکوپی بالا نگاه کنید. این تصویر که به کمک میکروسکوپ stm تهیه شده است، با دقت بالایی، سطح یک نمونهی رسانا یا نیمه رسانا را نشان میدهد. وقتی از دقت بالا صحبت میکنیم، منظورمان این است که وضوح آن آنقدر بالاست که ما میتوانیم اتمهای سطح این قطعه را از هم تفکیک کنیم. تهیهی چنین تصویری با هیچ روش غیرکوانتومی میسر نیست.
و اگر ما این تصاویر را نداشتیم، حوزهی علوم سطح یا surface science هیچوقت اینقدر عمیق نمیشد یا حتی شاید اصلا شکل نمیگرفت. اما حالا میتوانیم اتمها و مولکولها را ببینیم و بفهمیم که بعد از هر فرآیندی، چه تغییری در سطح نمونهمان ایجاد کردهایم. راستی این میکروسکوپ چطور عمل میکنند و چه ربطی به کوانتوم دارند؟
اساس کار این میکروسکوپها پدیدهی تونل زنی کوانتومی یا quantum tunneling است.
وقتی که یک ذرهی کوانتومی مثل یک الکترون به سمت یک مانع پرتاب میشود، اگر مانع خیلی ضخیم مثلا بینهایت ضخیم باشد، ذره با مانع برخورد کرده و باز میگردد. مثلا فرض کنید الکترون را درون یک چاه انداختهایم و این چاه خیلی (بینهایت) عمیق است و الکترون نمیتواند از آن خارج شود و مرتبا به در و دیوار میخورد. الکترون انرژی کافی برای خروج از این چاه بینهایت عمیق را ندارد. تا اینجا همه چیز شبیه همان چیزیست که ما در ذهن داریم. اما اگر چاه بینهایت عمیق نباشد و کمی عمیق باشد چطور؟ ما باز هم انتظار نداریم که الکترون بتواند از این چاه خارج شود.
اما در دنیای کوانتومی، الکترون میتواند از این چاه خارج شود. یعنی ما احتمال خروج آن از چاه را میبینیم. هرچقدر چاه کمعمقتر باشد، الکترون با احتمال بیشتری از چاه خارج میشود. این همان چیزیست که ما به عنوان تونل زنی کوانتومی میشناسیم که معادلی در جهان اطرافمان ندارد و فقط در ابعاد کوانتومی مشاهده میشود. ما هم به کمک آزمایشات همبه کمک ریاضیات توانستهایم وجود این پدیده را اثبات کنیم. راستی این چاه میتواند یک اتم باشد. الکترونی که اطراف هستهی اتم است، به خاطر جاذبهی پروتونهای هسته، خودش را درون چاهی میبینید که اجازه نمیدهد الکترون از اطراف هسته خارج شود.
حالا در این میکروسکوپها، ما یک میلهی بسیار نازک را به سطح فلز نزدیک میکنیم. بعضی از این الکترونها موفق میشوند با تونل زنی کوانتومی از چاه اطراف هسته خارج شوند و به میلهی ما وارد شوند و ما جریان الکتریکی کمی را ایجاد کنند. در واقع الکترونها با تونل زنی کوانتومی میتوانند از این مانع بزرگ یعنی پتانسیل هسته و همچنین فاصلهی میله تا اتم، عبور کنند. هرکجا که شدت این جریان افزایش یابد، ما میفهمیم که آنجا یک اتم وجود دارد. اگر این سطح صاف نباشد که نیست، ما میله را بالا پایین میکنیم تا جریان ثابت برقرار باشد. به این شکل میتوانیم با دقت اتمی، تصویری از سطح نمونه مانند تصویر بالا داشته باشیم.
اگر پدیدهی تونلزنی کوانتومی نبود، ما چنین میکروسکوپی نیز نداشتیم. از همین بابت این میکروسکوپها را میکروسکوپ stm یا scanning tunneling microscope مینامند و منظور از tunneling در اینجا همان تونل زنی کوانتومیست.
– ابا اباد