量子隧穿的原理

量子隧穿是量子理论波动特性的结果。因此，如果你考虑波如何与势垒相互作用，就可以理解这一点。考虑一个非常薄和脆弱的屏障;波浪在这样的屏障上几乎不会受到影响，可以很容易地穿过屏障。然而，如果屏障变得更厚更重，它就会开始阻碍波，反射一些波，但也会通过一些波。这种厚度的增加最终会形成一个屏障，一旦它变得足够厚，就会完全阻止波通过。

在量子力学中，波就是量子波函数。这个波函数代表任何粒子；这意味着粒子表现为波。我们已经在干涉现象中看到了这一点。量子粒子在双缝实验中很容易表现出干涉效应。所以我们已经有了一个不容置疑的波现象。隧道是另一回事。

它的意思是波函数不可能被势垒突然熄灭。在实践中，这意味着波函数与势垒相互作用，而势垒又作用于波。势垒反作用需要消除势垒内的波函数，这不能立即发生。因此，当障壁厚度不够时，反作用力不能完全消除波函数的影响，反作用力会在障壁的另一侧出现。

然而，这与波/势垒的类比有一些不同。根据波/势垒的类比，波可以通过势垒传播，这意味着它可以在势垒内部被发现。然而，在量子情况下，势垒内通常没有传播解。这让事情变得复杂了一点，但不是完全如此。事实上，我们在光学中知道这种现象，它被称为倏逝波。倏逝波是一种非传播的电磁波解，随着距离势垒的距离呈指数衰减。这就是隧穿波函数的形式。这意味着量子粒子的影响可以穿过势垒，即使粒子本身无法通过势垒追踪。

所以隧穿的奇怪之处在于量子粒子可以出现在势垒的另一边。然而，如果这个影响或波函数在势垒内没有完全衰减，那么粒子有一定的有限概率穿过势垒。这和干涉实验中粒子穿过两条狭缝一样奇怪。这是因为粒子用波来表示。这些波在某种意义上表明了粒子对势垒的影响。这实际上意味着势垒与粒子相互作用以减少其影响。

让我们来看看两个隧道的例子。

首先考虑光子与金属势垒的相互作用。由于金属导电带中的电子，金属具有很强的吸收能力和反射能力。光不能在金属内传播。然而，如果金属屏障足够薄，光子实际上可以以一定的有限概率通过金属。在这里，光子的影响可以通过所谓的蒙皮深度来描述。如果金属阻挡层的厚度与蒙皮深度相当，光子就会出现在金属阻挡层的另一侧。该蒙皮深度表征了光子波函数的影响。传统上，这种蒙皮深度是金属内部非传播的倏逝模式的特征，因此代表了一个非传播的电磁场，然后它可以成为屏障另一边的一个传播波。量子力学上，光子是用波函数来表示的，而不是电磁场，所以振幅变成了概率振幅。然而，解决方案本质上是相同的，只是解释不同。这有助于培养挖隧道的直觉。

下一个例子是热核聚变。两个氢原子核需要足够接近，这样两个原子核才能融合在一起。这不应该被想象成两个原子核相互碰撞。相反，它们会靠近，但库仑相互作用提供了一个排斥势垒，随着原子核的靠近而迅速增长。但各核波函数的影响是非局域的。这意味着它们不是真正的子弹，而是两个相互靠近的波包。库仑势垒会使波包变形，但由于不是局域的，库仑势垒的影响会延伸到势垒中。当有足够的波包重叠时，融合发生的概率变得有限。相反，如果把原子核看作具有明确大小的粒子，它们将需要更多的能量来克服库仑势垒。这种融合也可以从位置上的海森堡不确定性来看，这与之前描述的波包图是一样的。

我们可以通过操纵屏障来控制隧道。对于隧穿光子，这只对应于使用不同的金属厚度。在电子电路中，可以利用电场来改变势垒来控制隧穿，甚至利用自旋来允许或阻止隧穿事件。自旋操作可以作为阀门来控制隧道。这只是冰山一角。隧道挖掘已经成为我们电子技术的一部分，所以它的控制和操作已经很成熟。