Туннельный эффект

Согласно представлениям классической физики, чтобы перейти из одного энергетического состояния в другое, частица должна преодолеть так называемый потенциальный барьер, т. е. должна обладать достаточной. энергией, чтобы «оторваться» от системы, в которой находится. Однако в странном мире квантовых явлений частицы свободны от. этих ограничений. Они как бы используют некий «туннель», который позволяет им проникать через потенциальный барьер. Это довольно странное на первый взгляд явление вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга.

Рассмотрим в качестве примера альфа-частицу. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, находящихся в атомном ядре. Если альфа-частица получает достаточно большую энергию, то она, преодолев ядерные силы, покидает ядро — тогда-то и наблюдается альфа-излучение. Однако, как указывает соотношение неопределенностей, обычно невозможно одновременно определить координату и импульс микрочастицы. Этим и объясняется следующее парадоксальное явление: частицы с энергией меньшей, чем необходимо для преодоления потенциального барьера, могут пройти сквозь него.

Представление о туннельном эффекте было применено для объяснения не только альфа-распада, но и ряда других явлений. В 1957 г. японский физик Лео Эсаки, работавший в компании «Сони», открыл экспериментально подобный эффект у полупроводников и создал первый туннельный диод. В те годы исследование туннельного эффекта было новостью в науке, и им занимались многие ученые.

В 1960 г. норвежский физик Айвар Джайевер из «Дженерал, электрик» провел первые наблюдения туннельного эффекта в сверхпроводниках, в которых электроны туннелировали из одного сверхпроводника в другой, и изучил закономерности этого явления. Он, в частности, высказал мысль о возможности использования туннельного эффекта для измерения температуры. В 1962 г. английский физик Брайан Джозефсон, лишь два года назад закончивший Кембриджский университет, предсказал новый вид туннелирования, который действительно вскоре был открыт; он получил название «эффект Джозефсона».

Этот эффект наблюдается при протекании сверхпроводящего тока через очень тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона). Если ток через контакт Джозефсона не превышает определенного значения, то падение напряжения на контакте отсутствует (так называемый стационарный эффект Джозефсона). Если же через контакт протекает ток больше критического, то возникает падение напряжения и контакт, излучает высокочастотные электромагнитные волны. Это нестационарный эффект Джозефсона, который был открыт в 1965 г. Джайевером.

Туннельный эффект дал возможность поставить различные точные эксперименты и построить высокочувствительные приборы для физических исследований. Кроме чисто научного интереса этот эффект в последние годы приобретает широкое практическое значение.

Трое ученых, внесших наибольший вклад в эти исследования, Лео Эсаки, Айвар Джайевер и Брайан Джозефсон, были удостоены в 1973 г. Нобелевской премии по физике.