effetto tunnel
effetto tunnel
Una delle più curiose manifestazioni della natura quantistica della materia, poiché esprime la capacità da parte di una particella di raggiungere uno stato mediante un percorso non ammissibile dalla meccanica classica. Per una particella in moto ciò si verifica oltrepassando una barriera di energia potenziale dovuta a un campo elettrico o una combinazione di forze attrattive e repulsive. Nella meccanica classica la legge della conservazione dell’energia impone che una particella non possa superare un ostacolo se essa possiede un’energia cinetica inferiore all’energia potenziale richiesta per superare l’ostacolo stesso. Nell’ambito della meccanica quantistica l’interazione tra una particella in moto e una barriera di energia potenziale viene descritta sfruttando la natura ondulatoria delle particelle elementari, che rende possibile il calcolo della probabilità che l’incontro con l’ostacolo produca una riflessione o un attraversamento. Sviluppando i calcoli si riscontra che la probabilità che si verifichi l’attraversamento aumenta quanto più l’energia della particella è vicina al potenziale della barriera e quanto minore è lo spessore della barriera stessa. Sebbene l’effetto tunnel sia poco intuitivo e appaia paradossale, esistono diverse prove sperimentali che lo confermano e molti dispositivi elettronici moderni basano il loro funzionamento su di esso, tra i quali: le giunzioni tunnel a stato solido per elettroni, dove due metalli sono separati da un sottile strato isolante (1÷10 nm) (MIM); le giunzioni superconduttore-isolante-superconduttore (SIS) e i conseguenti dispositivi superconduttivi a interferenza quantistica (SQUID, Superconducting quantum interference device); le giunzioni ferromagnete-isolante-ferromagnete e i conseguenti dispositivi di memoria MRAM (Magnetoresistive random access memory). Si può quindi affermare che la scoperta dell’effetto tunnel ha avuto importanti ricadute sia per la ricerca scientifica di base sia per le applicazioni tecnologiche. In una giunzione la corrente di tunnel è influenzata non solo dalla probabilità di trasmissione, ma anche dalle proprietà fisiche dei materiali e si presta a essere utilizzata come strumento di indagine fisica dello stato condensato della materia e delle superfici. In tal senso si parla di spettroscopia di tunnel. A questo riguardo l’applicazione dell’effetto tunnel alla fisica dei superconduttori è risultato di estrema importanza. La misurazione degli spettri della corrente di tunnel a varie energie ha permesso di approfondire le conoscenze nella fisica dei superconduttori e in particolare di convalidare le previsioni della teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) per i superconduttori a bassa temperatura critica. La forte dipendenza della corrente di tunnel dallo spessore della barriera (tipicamente di un ordine di grandezza per una variazione di 0,1 nm) è alla base del funzionamento del microscopio a scansione per effetto tunnel (STM, Scanning tunnelling microscope). In un STM la possibilità di modulare la separazione tra una punta metallica e la superficie del campione, tramite attuatori piezoelettrici, consente sia di dedurre la morfologia (microscopia) sia di misurare localmente la densità degli stati (spettroscopia locale), entrambe con un’estrema risoluzione, fino al livello del singolo atomo. L’effetto tunnel è anche responsabile del fenomeno della radioattività. Infatti in un atomo la barriera di potenziale del nucleo non permette ai neutroni e ai protoni di allontanarsi da esso. Ciò nonostante, come è stato dimostrato da George Gamow, in particolari elementi quali l’uranio e il radio le particelle alfa sono in grado di aprirsi un varco attraverso la barriera del nucleo dando origine appunto al fenomeno della radioattività.