Сквозь стену: Туннельный эффект в макромире
Неважно, пробовали ли вы всерьез пройти сквозь стену, вы знаете: это невозможно. Для нас — но не для элементарных частиц, которые способны к чему-то подобному при проявлении туннельного эффекта.
Представьте себе, скажем, электрон, находящийся в определенном энергетическом состоянии, как шарик, лежащий в углублении гофрированной поверхности. Чтобы перескочить через возвышение и оказаться в другом углублении, ему необходима энергия на преодоление барьера. Так было бы, будь это действительно шарик и возвышение — но в мире квантовой механики частица может преодолеть энергетический барьер и не получив достаточной для этого энергии, «туннелировать» сквозь него и внезапно «материализоваться» по ту сторону.
Несмотря на странность с точки зрения привычной логики, туннельный эффект многократно продемонстрирован в лаборатории и даже используется в технике — например, в одноименных диодах или некоторых типов жестких дисков компьютеров. Еще более известно его применение в качестве основы для работы сканирующих туннельных микроскопов: тончайшая игла сканирует поверхность образца и при подаче на нее небольшого напряжения между ней и образцом сквозь небольшое разделяющее их расстояние возникает туннельный ток, поток туннелирующих заряженных частиц. Сила этого тока позволяет точно определить расстояние от иглы до поверхности и рассмотреть ее рельеф буквально с атомарным разрешением.
К счастью или нет, но в макромире туннельный эффект не наблюдается. Точнее, не наблюдался до недавнего времени: все может изменить интересная работа, опубликованная недавно финскими учеными из группы Мики Силланпаа (Mika Sillanpää). Для этого авторы предлагают использовать микрометрового размера графеновый «батут» — плоскую и прочную упругую пластину из углерода толщиной всего в один атом.
Графеновая мембрана с подведенным к ней слабым напряжением подвешивается над металлической подложкой так, что имеет две стабильные конфигурации: чуть выгнутую, либо чуть вогнутую, при которой она входит в контакт с подложкой. Электромеханические взаимодействия создают потенциальный барьер между ними. Теперь если удастся сильно охладить мембрану — до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля — мембрана не сможет колебаться между двумя выгодными положениями сама по себе. Единственный способ для нее перейти из одного состояния в другое будет туннелирование. И заметить это можно по изменению емкости системы, возникающем из-за контакта с металлом подложки.
Несмотря на микроскопические размеры, такая мембрана все-таки на много порядков крупнее отдельных атомов и молекул, не говоря уж об элементарных частицах. Так что если для нее действительно удастся добиться туннельного эффекта, можно будет с полным правом сказать о первом его наблюдении в макромире.
По словам авторов идеи, главной технологической сложностью может стать достижение и поддержание необходимой сверхнизкой температуры. Ведь достаточно в системе появиться хотя бы небольшому избытку энергии в виде тепла — и опыт уже нельзя будет назвать чистым. Однако они работают над этим и планируют поставить реальный эксперимент в пределах ближайших нескольких лет.
По публикации ScienceNOW