Stimolante. Forse quell’aggettivo è uno di quelli che meglio definisce la quantistica, una disciplina che sfida la concezione che abbiamo del mondo che ci circonda e che solleva dubbi su cosa comprendiamo veramente e cosa no. Un fenomeno molto caratteristico di questa branca della fisica – e uno dei più curiosi e attraenti per la sua unicità – è l’effetto tunnel, un evento che consente alle particelle di “saltare” o “passare attraverso” le barriere che, secondo le leggi classiche, dovrebbe essere insormontabile.
Tuttavia, la cosa più affascinante è che, sebbene questo effetto possa sembrare fantascientifico o appartenere a storie di astronavi che saltano da un punto all’altro dell’Universo attraversando barriere invisibili, questo fenomeno non è solo reale, ma ha anche applicazioni pratiche. .nella nostra vita quotidiana e in vari campi della scienza e della tecnologia.
UN CONCETTO RIVOLUZIONARIO
L’effetto tunnel fu uno dei primi concetti che la meccanica quantistica fece nascere, negli anni ’20, come risultato delle ricerche di figure importanti come Max Born, Werner Heisenberg o Erwin Schrödinger, che esplorarono l’effetto tunnel. natura ondosa delle particelle subatomiche. Da parte sua, il fisico Friedrich Hund fu responsabile di coniare il termine “effetto tunnel” nel 1927, descrivendo come le particelle possono penetrarer potenziali barriere senza avere abbastanza energia classica per superarli, sfidando così le leggi fisiche convenzionali.
Nel corso dei decenni, l’effetto tunnel è stato oggetto di intense ricerche sperimentali e teoriche, con esperimenti chiave come l’esperimento sulla barriera potenziale condotto da Brian Josephson negli anni ’60 le coppie di elettroni potrebbero attraversare le barriere potenziali senza perdere energia, confermando così le previsioni della meccanica quantistica e le ipotesi del resto dei fisici teorici. Fu proprio questo esperimento a consolidare l’esistenza dell’effetto tunnel e a stabilirlo come uno dei fondamenti della quantistica.
Ora, nel tempo lo studio dell’effetto tunnel si è evoluto ed è diventato arricchito con il contributo di numerosi scienziati e fisici teorici. Dalla comprensione dei processi nucleari nelle stelle alle sue applicazioni nell’elettronica e nelle nanotecnologie, l’effetto tunnel è diventato un fenomeno onnipresente e ampiamente versatile.
COS’È L’EFFETTO TUNNEL?
Rispondere alla domanda su cosa sia l’effetto tunnel senza entrare nei tecnicismi non è un compito semplice, ma si può dare una spiegazione semplificata che illustri in cosa consiste questo processo unico. Immagina di avere una palla che rotola giù dalla montagna. Secondo le leggi della fisica classica, la palla tenderebbe a farlo rotolare giùseguendo l’inclinazione della montagna: se volessi salire in cima e poi scendere, la palla richiederebbe ulteriore energia che la spinse in salita.
Schema rappresentativo dell’effetto tunnel. In blu, identificato come “percorso classico”, è mostrato il percorso che la particella seguirebbe secondo la fisica classica. In giallo, descritto come “percorso quantomeccanico (tunnel)”, viene mostrato il percorso effettivo che la particella segue quando sperimenta l’effetto tunnel.
Tuttavia, nella meccanica quantistica, la stessa palla potrebbe “attraversare” la montagna senza bisogno di energia aggiuntiva. In termini più tecnici, questo fenomeno è noto come “tunneling quantistico”, usando quella metafora per riferirsi a un tunnel invisibile che collegherebbe entrambi i lati della montagna sotto la vetta e attraverso il quale la palla potrebbe passare perfettamente. Ebbene, questo esempio può essere estrapolato alle particelle subatomiche, come gli elettroni, che Saranno in grado di “saltare” attraverso determinate barriere energetiche senza bisogno di avere energia sufficiente per superarli secondo le leggi della fisica classica.
Ora, è importante notare che il tunneling avviene solo su scala estremamente piccola, nel mondo subatomico. In realtà, questo è evidente solo quando le particelle scambiano energia a livelli molto bassied è sempre governato dalla seconda legge della termodinamica: la quantità di entropia nell’Universo tende ad aumentare con il passare del tempo.
La costante di Planck e il suo ruolo cruciale nella fisica quantistica
L’EFFETTO TUNNEL NEL MONDO REALE
Tuttavia, nonostante questa manifestazione su scala subatomica, le sue applicazioni pratiche sono molto ampie e diversificate, coprendo campi molto diversi. Ad esempio, una delle applicazioni più importanti dell’effetto tunnel è nel elettronica e nella progettazione di dispositivi conduttiviche sfruttano il tunneling quantistico per creare bruschi cambiamenti nel flusso di corrente elettrica, consentendo così una commutazione più rapida ed efficiente rispetto ai dispositivi più convenzionali.
Anche in ricerca e manipolazione di strutture su scala nanometrica Si tratta di un fenomeno di grande importanza, soprattutto attraverso la microscopia a tunnel (STM). L’STM utilizza quindi l’effetto tunnel per esplorare e visualizzare le superfici a livello atomico, il che ha consentito progressi significativi nella comprensione e nella progettazione di materiali e dispositivi su scala nanometrica. È essenziale anche per la fabbricazione e il funzionamento di nanodispositivi, come i nanotubi di carbonio o i punti quantici, protagonisti del Premio Nobel per la Chimica 2023.
Anche in medicinale evidenzia l’effetto tunnel, dove ha iniziato ad essere esplorato per applicazioni di diagnosi e trattamento. Ad esempio, la risonanza magnetica tunneling (TQMR) è una tecnica che utilizza il tunneling per migliorare la sensibilità e l’accuratezza dell’imaging medico, consentendo il rilevamento precoce di malattie e condizioni mediche, con una risoluzione senza precedenti.
