Makroskooppinen kvanttitunnelointi

Makroskooppinen kvanttitunnelointi on kvanttimekaaninen prosessi, jossa useasta alkeishiukkasesta syntynyt makroskooppinen kvanttisysteemi tunneloituu tilasta toiseen. Esimerkkejä makroskooppisesta kvanttitunneloinnista on havaittu magneettisissa systeemeissä sekä suprajohtavissa liitoksissa.

Makroskooppinen kvanttitunnelointi suprajohtavissa liitoksissa

Suprajohteissa elektronisysteemin tilaa kuvataan makroskooppisella aaltofunktiolla $\mathrm{\Delta }=|\mathrm{\Delta }|e^{i\varphi }$, jolla on itseisarvo $|\mathrm{\Delta }|$ ja vaihe $\phi$. Suprajohtavia liitoksia voidaan kuvailla liitoksen eri puolilla olevien suprajohteiden vaihe-erolla $\varphi ={\phi }_1-{\phi }_2$. Vaiheen käytöstä kuvaa niinkutsuttu kallistettu pesulautamalli (engl. "tilted washboard model"), jossa potentiaali on muotoa

$U(\varphi )=E_J\cos (\varphi )-\frac{\hslash }{2e}{I}_b\varphi ,$

missä $E_J=\hslash I_C/(2e)$ on Josephsonin ilmiön kriittisestä virrasta $I_C$ riippuva Josephson-energia, $I_b$ liitoksen läpi ajettava virta, $\hslash$ Diracin vakio ja $e$ elektronin varaus.

Kun $I_b<I_C$, vaihe sijaitsee potentiaalin yhdessä minimikohdassa ja liitos on suprajohtavassa tilassa. Joko termisistä tai kvanttimekaanisista fluktuaatioista johtuen vaihe voi kuitenkin aktivoitua tai tunneloitua potentiaalivallin yli tai läpi, jolloin liitos muuttuu häviölliseksi. Edellistä prosessia kutsutaan termiseksi aktivaatioksi, jälkimmäistä makroskooppiseksi kvanttitunneloinniksi.

Aiheesta muualla

• Nanomittakaavassa tunnelointi on yleistä, Turun Sanomat 16.11. 2006Malline:Vanhentunut linkki.
• Takagi, Shin: Macroscopic Quantum Tunneling, Cambridge University Press, 1997, ISBN 0 521 80002 1 Malline:En