Lankide:JulenEL9/Proba orria
Tunel efektua deritzo mekanika kuantikoan partikula batek bere energia baino energia potentzial handiagoko potentzial-langa bat zeharkatzean jazotzen den fenomenoari.
Mekanika klasikoan efektu hau azaltzea ezinezkoa da, potentzial-langa bat igarotzeko aukera bakarra honek behar beste energia lortu eta gainetik pasatzea baita. Baina mekanika kuantikoan, uhin-partikula dualtasunari esker, partikularen posizioa uhin-funtzioa erabiliz deskribatu daiteke, eta honela, langara iritsi ondorengo partikularen posizioaren probabilitatea kalkulatu. Probabilitate hori aztertuz, potentzial-langa behar adina energia izan gabe zeharkatzea posible dela ikus daiteke. Zeharkatzeko probabilitatea finitua da, eta esponentzialki txikiagotzen da langaren altuera eta zabalera handiagotzean. Tunel efektua 1-3nm edo txikiagoko potentzial langetan gertatzen da.[1]
Efektu hau Heisenberg-en ziurgabetasunaren printzipioa erabiliz ere uler daiteke, partikula baten posizioa zehazki jakin ahal ez izateak honi mekanika klasikoaren arauak bortxatzea ahalbidetzen baitio, potentzial-langa energia nahikorik gabe zeharkatzea posible eginez.
Tunel efektua XX. mendearen hasieran aurresan zen, eta mende bereko erdialdera izan zen fenomeno fisiko orokor gisa onartua.
Aplikazioak[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Tunel efektua hainbat fenomeno fisiko makroskopiko garrantzitsuren eragilea da, eta nanoteknologiaren funtzionamenduan ere funtsezkoa da[2].
Desintegrazio erradioaktiboa[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Artikulu nagusia: Desintegrazio erradioaktiboa
Desintegrazio erradioaktiboa atomo nukleo ezegonkorrek produktu egonkor bat lortzeko partikulak eta energia igortzen dituzten prozesua da. Hau partikulek nukleoan zehar tunelatzean gertatzen da (elektroi batek nukleora itzultzeko tunelatzen duenean prozesuari elektroi-harrapaketa deritzo). Hau izan zen tunel efektuaren lehen aplikazioa. Desintegrazio erradioaktiboa garrantzitsua da astrobiologian, tunel efektuaren ondorioz energia iturri handi bat sortzen baita denbora luzez irauten duena zona zirkunestelar bizigarrietatik at dauden inguruneetan, non intsolazioa ez den posiblea edo eraginkorra[2].
Fusio nuklearra izarretan[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Artikulu nagusia: Fusio nuklearra
Izarren nukleoetan dauden hidroiek (hidrogeno katioiak) duten energia ez da nahikoa euren arteko aldarapen elektromagnetikoak sortzen duen potentzial langa gainditzeko, baina tunel efektuari esker, hidroi batzuek langa hau zeharka dezaten probabilitate txiki bat existitzen da euren arteko fusioa eraginez eta erradiazio elektromagnetiko gisa energia askatuz[3]. Tunel efektua gertatzeko probabilitatea oso baxua bada ere, izarretan dagoen partikula kopuruan hain da handia, ezen efektu hau une oro gertatzen den. Honek izar batek zenbat eta masa gehiago izan (erraldoi urdinak bezela) orduan eta sekuentzia nagusi laburragoa izatea azaltzen du, hidroien energia zinetikoa handiagoa baita, eta bera, tuenel efektua gertatzeko probabilitatea ere bai[4].
Elektronikan[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Tunel efektua korronte ihesen iturria da oso integrazio maila handiko (VLSI) elektronikan, eta honen ondorio dira energia kontsumo handia eta aparailu elektronikoei eragiten dien berotze efektuak. Aparailu mikroelektronikoak eraikitzeko behe limite kontsiderantzen da[5]. Gainera, tunelazioa oinarrizko teknika bat da flash memorien ate flotatzailen programazioan.
Eremu efektuko igorpena[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Elektroien eremu efektuko igorpena garrantzitsua da erdieroaleen eta supereroaleen fisikan. Igorpen termoionikoaren antzekoa da, non elektroiak zoriz metal baten gainazaletik jauzi egiten duten voltaiaren alborapena jarraituz, estatistikoki, beste partikulekin egindako zorizko talken ondorioz elektroiek potentzial langak baino energia gehiagorekin amaitzen baitute. Eremu elektrikoa oso handia denean, langa elektroiak egoera atomikotik at tunela daitezen bezain fina egiten da, gutxi gorabehera eremu elektrikoarekiko esponentzialki aldatzen den korronte bat sortuz[6]. Material hauek oso garrantzitsuak dira flash memorietan, hutseango hodietan eta mikroskopio elektronikoetan.
Tunel lotura[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Bi eroale isolatzaile oso fin batekin banantzean, oztopo sinple bat sor daiteke, zeinari tunel lotura deritzon, eta tunel efektuari esker, elektroi batzuek oztopo hau gaindi dezakete[1]. Josephson loturek tunel efektua eta erdieroale batzuen supereroankortasuna erabiltzen dituzte Josephson efektua sortzeko. Hau voltaiak eta eremu magnetikoak[6] zehaztasunez neurtzeko aplika daiteke, baita zelula fotovoltaiko loturanitzetan ere.
Automata zelular kuantikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]
AZK elektroien tuenel efektua erabiltzen duen teknologia molekular bitar logiko bat da. Aparailu hau azkarra da eta oso potentzia gutxirekin lan egiten du, eta gehienez 15PHz-etan ibil daiteke[7].
Tunel diodoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Diodoak gailu elektroniko erdieroaleak dira, korrontea alde batetarantz mugatzen dutenak. Gailu hauek N-motako eta P-motako erdieroaleak eta euren arteko gainazal isolatzaile batetaz baliatzen dira funtzionatzeko. Hauek oso dopatuta daudenean, gainazal isolatzailea behar bezain txikia izan daiteke tunelatzea emateko. Aurrerantza doan korronte txiki bat aplikatzean, tunelatzea handia da, eta honen maximoa voltaiaren energia n eta p kondukzio banden mailan dagoenean dago. Voltaia handitzean diodoek normal jokatzen dute[8].
Tunelatzea azkar jaisten denez, tunel diodoak euren korrontea voltaia handitzearekin batera txikitzeagotzeko sortu daitezke. Ezaugarri berezi honek hainbat aplikazio ditu, tunelatzearen probabilitatea voltaiarekin batera azkar jaisten den abiadura handiko gailuak bezala[8].
Erresonantziazko tunel diodoek tunel efektua era ezberdin batean erabiltzen dute antzeko emaitza lortzeko. Diodo hauek erresonantzia voltai bat izaten dute, zeina energia handiko bi kondukzio gainazal gertu jarriz lortzen den. Honek potentzial zulo kuantiko bat sortzen du, energia minimoko maila diskretua duena. Energia maila hau elektroiena baino handiagoa denean, ez da tunelatzerik ematen. Bi energiak parekatzean, elektroiak kable batean bezala igarotzen dira. Elektroien energia oraindik gehiago handitzean berriz, tunelatzea ez da probablea, eta diodoak diodo normal gisa lan egiten dute, bigarren energia maila bat nabaritu aurretik[9].
Tunel eremu-efektuko transistorea[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Europako ikerketa batek frogatu zuenez, eremu-efektuko transistoreetan, zeinaren atea tunel efektuaren bidez kontrolatzen den, atearen potentzial diferentzia 1V inguru izatetik 0,2V ingurura jaisten da, potentzia kontsumizioa ehun aldiz gutxituz. Transistore hauek VLSI mailan jarriz gero, beraien zirkuitu integratuen potentziarekiko errendimendua handituko litzateke[10].
Eroankortasun kuantikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Eroankortasun elektrikoaren Drude-ren ereduak metaletan elektroien eroankortasunaren aurresan bikainak egiten baditu ere, hau tunel efektuaren bidez hobetzea dago, elektroien arteko talkak azalduz[6]. Elektroi uhin askeen multzo bat uniformeki banatuta dauden oztopoekin topatzen denean, zati islatuak uniformeki interferitzen du oztopo guztietan zehar transmititu den zatiarekin, %100-eko transmisioa posible eginez. Teoria honek dioenez, positiboki kargatutako nukleoek forma guztiz errektangular bat osatzen badute, elektroiak metalean zehar elektroi aske gisa tunelatuko dute, izugarrizko eroankortasuna lortuz, eta metalaren ezpurutasunek asko alda dezakete[6].
Tunel efektuko mikroskopioa[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Tunel efektuko mikroskopioa (ingelesez, Scanning tunneling microscope edo STM) Gerd Binning eta Heinrich Rohrer-ek asmatutako eta maila atomikoko irudiak lortzen dituen mikroskopioa da, material baten gainazaleko atomo bakar baten irudia lor dezakeena[6]. Funtzionatzeko tunelatzearen eta distantziaren arteko erlazioaz baliatzen da. Punta eroale bat aztertu nahi den gainazaletik oso hurbil kokatzen da, eta polarizazio korronte bat aplikatzean elkarren artean, elektroiak batetik bestera pasa daitezke tunel efektuaren bitartez, elkarren arteko hutsa gaindituz. Informazioa lortzeko korrontea monitorizatzen da puntaren posizioak gainazala zeharkatzen duen bitartean, eta irudi bezala erakusten da. Tunel efektuko mikroskopioak erronka ugari ditu, gainazal izugarri garbi eta egonkorrak behar baitira, eta baita punta zorrotzak, bibrazioen kontrol bikaina eta elektronika sofistikatua ere. Mikroskopio hauen bereizmena 0,001nm edo atomo baten diametroaren %1 da[9].
Biologia kuantikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]
Biologia kuantikoan, tunel efektua efektu kuantiko ez tribialen artean garrantzitsuenetarikoa da. Gainera, ez da soilik elektroien tunelatzea erabiltzen, protoiena ere bai[11]. Elektroien tunelatzea funtsezkoa da hainbat erredox erreakzio biokimikotan (fotosintesia eta arnasketa zelularra bezala), eta baita entzimetan gertatzen den katalisian ere. Protoien tunelatzea berriz, giltzarria da DNA mutazio espontaneoetan[2].
Mutazio espontaneoak bereziki esanguratsua den protoi batek tunelatu ostean DNA normal erreplikatzean ematen dira[12]. Hidrogeno lotura bat DNA base pareetara batzen da. Hidrogeno loturan zehar dauden bi potentzial zulok potentzial langa bat banantzen dute. Uste da potentzial zulo bikoitza asimetrikoa dela, zulo bat bestea baino sakonagoa izanik, protoia sakonenean egonik. Mutazioa jazo dadin, protoiak sakonena ez den potentzial zulora tunelatu behar du. Protoiaren mugumendu honi trantsizio tautomeroa deritzo. DNA mutazioa egoera honetan ematen bada, DNA baseen parekatzea arriskuan jartzen da eta mutazio bat gerta daiteke[13]. Per-Olov Lowdin izan zen teoria hau garatzen lehenengoa. Uste da tunel efektuaren eraginez emandako beste mutazio mota batzuen ondorio direla zahartzea eta minbizia ere[12].
Erreferentziak[aldatu | aldatu iturburu kodea]
- ↑ a b Encyclopedia of physics. (2nd ed. argitaraldia) VCH 1991 ISBN 0-89573-752-3. PMC 20853637. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ a b c Trixler, Frank. (2013-07-01). «Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life» Current Organic Chemistry 17 (16): 1758–1770. doi:. ISSN 1385-2728. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ Perló Cohen, Manuel. (1993-05-01). «Saskia Sassen. The global city. Princenton : Princenton University Press, 1991» Estudios Demográficos y Urbanos 8 (2): 473. doi:. ISSN 2448-6515. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ Bradt, Hale. (2008). Astrophysics processes : the physics of astronomical phenomena. ISBN 978-0-511-80224-9. PMC 992849195. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ «Internet Archive Wayback Machine» Choice Reviews Online 48 (11): 48–6007-48-6007. 2011-07-01 doi:. ISSN 0009-4978. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ a b c d e Taylor, John R.. (2004). Modern physics for scientists and engineers.. (Second edition. argitaraldia) ISBN 0-13-805715-X. PMC 50768051. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ (Ingelesez) Soudip Sinha Roy. (2017). Generalized Quantum Tunneling Effect and Ultimate Equations for Switching Time and Cell to Cell Power Dissipation Approximation in QCA Devices. doi:. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ a b Krane, Kenneth S.. (1983). Modern physics. Wiley ISBN 0-471-07963-4. PMC 8552530. (Noiz kontsultatua: 2021-04-06).
- ↑ a b Knight, Randall D.. (2004). Physics for scientists and engineers : a strategic approach with Modern physics with Mastering physics. (International ed. argitaraldia) Benjamin Cummings ISBN 0-321-22369-1. PMC 53393309. (Noiz kontsultatua: 2021-04-06).
- ↑ (Ingelesez) Ionescu, Adrian M.; Riel, Heike. (2011-11). «Tunnel field-effect transistors as energy-efficient electronic switches» Nature 479 (7373): 329–337. doi:. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2021-04-04).
- ↑ Srinivasan, Bharath. (2020-09-27). «Words of advice: teaching enzyme kinetics» The FEBS Journal 288 (7): 2068–2083. doi:. ISSN 1742-464X. (Noiz kontsultatua: 2021-04-07).
- ↑ a b Quantum biochemistry. Wiley-VCH 2010 ISBN 978-3-527-62922-0. PMC 536379926. (Noiz kontsultatua: 2021-04-07).
- ↑ Majumdar, Rabi. (2011). Quantum mechanics in physics and chemistry with applications to biology. PHI learning ISBN 978-81-203-4304-7. PMC 820652401. (Noiz kontsultatua: 2021-04-07).