Репортаж от Wedoany，Профессор Пекинского университета авиации и космонавтики Чжоу Мяо, специалист государственного уровня, главный научный сотрудник Национальной ключевой программы исследований и разработок, в популярной форме объяснил ключевую роль эффекта квантового туннелирования в современных промышленных технологиях. Квантовое туннелирование — это квантовое явление, при котором микрочастицы, даже при недостаточной энергии для преодоления потенциального барьера, с определенной вероятностью могут проникать сквозь него. Этот эффект является важной физической основой для полупроводников, микроскопов и прецизионных электронных устройств.
Характеристики квантового туннелирования включают три аспекта. Во-первых, прохождение сквозь барьер при недостатке энергии: частица может проникнуть через барьер, даже если ее энергия ниже его высоты; чем тоньше барьер и меньше разница в энергии, тем выше вероятность туннелирования. Во-вторых, туннелирование является случайным вероятностным событием, которое невозможно точно предсказать, можно лишь статистически оценить общую вероятность прохождения. В-третьих, процесс туннелирования отличается от классического движения: частица наблюдается на другой стороне барьера благодаря протяженности волновой функции и распределению вероятностей, без непрерывной траектории движения.
Туннельные диоды, использующие эффект электронного туннелирования для достижения особых проводящих свойств, широко применялись в радиоприемниках, стабилизаторах напряжения и высокочастотных переключающих элементах, являясь ключевыми компонентами ранней электронной промышленности. Сканирующий туннельный микроскоп, основанный на явлении электронного туннелирования между иглой и поверхностью образца, отслеживает изменения тока, позволяя получать атомарные изображения поверхности, что способствует развитию наноматериалов и физики конденсированного состояния. Запись и стирание данных во флэш-памяти зависят от электронного туннелирования в плавающем затворе для переноса заряда, что делает возможным создание чипов большой емкости.
В области разработки чипов одноэлектронные транзисторы на основе управляемого туннелирования, используя способность электронов контролируемо проходить сквозь барьеры, способствуют миниатюризации, повышению степени интеграции и снижению энергопотребления компонентов чипов. В области прецизионного зондирования туннельный ток чрезвычайно чувствителен к изменениям внешней среды, что позволяет создавать сверхточные неинвазивные мониторинговые устройства, гибкие микро-сенсоры и навигационные приборы, не зависящие от сигналов GPS. В области квантовых вычислений квантовое туннелирование является важным физическим механизмом в некоторых аппаратных средствах; точное управление временем и траекторией туннелирования помогает создавать управляемые квантовые состояния и квантовые устройства, поддерживая повышение стабильности, управляемости и степени интеграции квантовых вычислительных систем.
