6.6 Квантовое туннелирование

Главная ／ Глава 6: Квантовая область (V5.05)

I. Наблюдаемые явления и интуитивные трудности современной теории

В эксперименте нередко кажется, что частица «проходит сквозь стену»:

• Альфа-распад: некоторые ядра самопроизвольно испускают альфа-частицу (α). С классической точки зрения кулоновский барьер слишком высок для доступной энергии, однако побеги всё же происходят.
• Сканирующий туннельный микроскоп (STM): между острой металлической иглой и образцом остаётся нанометровый вакуумный зазор. Ток падает почти экспоненциально с ростом расстояния, но не обнуляется.
• Туннелирование Джозефсона: два сверхпроводника, разделённые ультратонким изолятором, поддерживают постоянный ток при нулевом напряжении; при малом постоянном напряжении возникает переменный сигнал на частоте Джозефсона.
• Резонансные диоды и двойные барьеры: на вольт-амперной характеристике появляются отрицательное дифференциальное сопротивление и узкие пики — окна энергии, в которых проход особенно лёгок.
• Полевой (холодный) эмиссионный выход: сильное внешнее поле истончает и понижает поверхностный барьер, позволяя электронам выходить в вакуум.
• Оптическая аналогия: при «фрустрированном» полном внутреннем отражении два близкие призмы соединяются эванесцентным полем, и свет проходит через формально «запрещённую» область.

Эти наблюдения ставят интуитивные вопросы. Как пройти при, казалось бы, недостаточной энергии? Почему вероятность так чувствительна к толщине и высоте барьера (почти экспоненциально)? Что означает «время туннелирования» и почему измеренные групповые задержки насыщаются, что иногда трактуют как сверхсветовые эффекты? Наконец, почему многослойные структуры создают резонансные «скоростные коридоры» на узких окнах энергии?

II. Интерпретация в рамках Теории энергетических нитей (EFT): барьер — это «дышащая» полоса напряжения, а не жёсткая стена

(По смыслу согласуется с разделом 4.7 о «порах» у чёрных дыр: сильная граница не является навсегда герметичной.)

1. Как выглядит барьер на самом деле: динамика, зернистость, полосовая структура
   В Теории энергетических нитей (EFT) «барьер» — не идеальная жёсткая геометрическая поверхность. Это область повышенной напряжённости (Tension) и импеданса, которую непрерывно перестраивают микропроцессы:
   • переток между энергетическими нитями (Energy Threads) и энергетическим морем (Energy Sea);
   • кратковременные микро-реконнекции, которые открывают и тут же закрывают связность;
   • постоянные «удары» неустойчивых возбуждений на границе;
   • локальные всплески градиента напряжённости (Tension Gradient) под действием внешних полей и примесей.
     Вблизи эта полоса словно «дышит», как живой сотоподобный массив: чаще всего высокая импедансность, но изредка открываются краткоживущие микропоры с низкой импедансностью.
2. Мгновенные поры: реальные каналы туннелирования
   Проход случается, когда частица подходит к барьеру и в её направлении движения раскрывается цепочка микропор, достаточно глубокая и связная. Важные параметры:
   • скорость открытия (вероятность на единицу площади и времени);
   • время жизни поры;
   • угловая ширина — направленная избирательность канала;
   • сквозная связность по толщине: выстраиваются ли отверстия через всю глубину (чем толще полоса, тем строже требование выравнивания).
     При совпадении условий частица проходит по коридору с низкой импедансностью. Большинство попыток неудачны; малая доля — успешна.

Аналогия: представим быстрое жалюзийное ворота. Почти всегда оно закрыто, но на миг ламели выстраиваются вдоль узкой линии, образуя проход. Мы не «призрачно идём через стену» — мы ловим мгновение, когда щель выровнялась.

3. Почему возникает почти экспоненциальная чувствительность

• Утолщение барьера: для сквозного прохода нужна серийная стыковка пор по глубине. Каждая добавленная «прослойка» умножает условие совпадения → вероятность успеха падает примерно экспоненциально.
• Повышение барьера (большая напряжённость): пор меньше, они короче по времени и уже по углу → эффективная скорость открытия ниже, барьер «выше».

4. Резонансное туннелирование: временный волновод, сшивающий поры в «автостраду»
   Многослойные структуры могут формировать фазово согласованную полость, то есть временный волновод внутри полосы:
   • частица сначала кратко задерживается в полости;
   • затем ждёт, пока следующий участок пор откроется в нужном направлении;
   • общая связность усиливается в узком энергетическом окне.
     Так возникают резкие пики в резонансных приборах; аналогично фазовая синхронизация между сверхпроводниками стабилизирует связность и обеспечивает эффект Джозефсона.
5. Время туннелирования: разделяем «ожидание ворот» и «проход по коридору»

• Время ожидания: задержка на входной стороне, пока не образуется правильно выровненная цепочка пор; именно оно доминирует в статистике задержек.
• Время транзита: когда коридор выровнен, проход идёт с локально допустимой напряжённостью скоростью и обычно короток.
  При увеличении толщины растёт прежде всего ожидание, а транзит не масштабируется линейно; поэтому часто фиксируются насыщенные групповые задержки. Это не сверхсветовое движение, а сочетание длинной очереди и быстрого прохода.

6. Баланс энергии: ничего «даром»
   После прохода энергия складывается из исходного бюджета, возможного обратного влияния напряжённости вдоль коридора и малых обменов с окружением. Формула «энергии не хватает, но прошёл» не магия: барьер — не жёсткая грань; его микро-открытия допускают редкие события по пути с низкой импедансностью без «взбирания» на статический пик.

III. От интерпретации к приборам и экспериментам

• Альфа-распад: альфа-кластер многократно «стучится» о ядерную границу. Эмиссия происходит, когда на миг выстраивается сквозная цепочка пор. Высокие и толстые полосы в ядре делают период полураспада чрезвычайно чувствительным к структуре.
• Ток в STM: вакуумный зазор образует тонкую полосу. Ток соответствует суммарной скорости появления критических цепочек связности. Каждый дополнительный ангстрем подобен ещё одному «ряду ламелей», отсюда почти экспоненциальный спад.
• Туннелирование Джозефсона: фазовая синхронизация по обе стороны стабилизирует полость-волновод и повышает стационарный поток даже при нулевом напряжении. При малом постоянном напряжении относительная фаза дрейфует, рождая переменный сигнал.
• Полевой эмиссионный выход: сильное поле истончает и понижает поверхностную полосу, что увеличивает скорость открытия и связность; электроны «выходят» в вакуум.
• Фрустрированное полное внутреннее отражение: нанозазор между призмами даёт зацепы ближнего поля, эквивалентные короткодействующей связности в щели; свет преодолевает формально запрещённую область по временному коридору.

IV. В четырёх фразах

• Туннелирование — это не проход через идеальную стену, а цепочка мгновенных пор в дышащей полосе напряжённости.
• Экспоненциальная чувствительность к толщине и высоте возникает из мультипликативных вероятностей серийной стыковки; резонанс создаёт временный волновод и усиливает связность в узком окне.
• «Время туннелирования» делится на ожидание и транзит: насыщенные групповые задержки отражают ожидание и не нарушают локальные пределы распространения.
• Энергия сохраняется: «проход при малой энергии» возможен потому, что «стена» временно открывается, а не разрушается.

Завершающая строка: «Стена» дышит; туннелирование — это умение поймать момент, когда она открыта.