อุโมงค์ควอนตัม (quantum tunnelling)

อุโมงค์ควอนตัม (quantum tunnelling)

ปกติหากเราอยู่ในห้องแล้วปาลูกบอลเข้าไปหากำแพงตรงๆลูกบอลจะกระดอนกลับมาหาเรา ลูกบอลไม่มีทางที่จะออกไปอยู่นอกห้องได้นอกเสียจากเราปาแรงมากจนกำแพงทะลุหรือเจาะรูให้มัน ปรากฏการณ์เช่นนี้เราพบเจอในชีวิตประจำวันอยู่แล้ว

แต่เมื่อเราเข้าไปสู่โลกของควอนตัม อะไรที่คิดว่าเกิดไม่ได้กลับมีโอกาสเกิดขึ้นได้ หากเราคิดว่าตอนนี้เรามีอนุภาคควอนตัมที่โดนกักอยู่ในกล่อง(แบบควอนตัมซึ่งจะขอยกตัวอย่างต่อไปว่ามันคืออะไร) ตามความรู้สึกปกติแล้วเมื่ออนุภาคควอนตัมเคลื่อนที่เข้าใกล้กำแพงสิ่งที่จะเกิดขึ้นนั้นคือมันจะชนกันกำแพงแล้วสะท้อนกลับไม่มีทางทะลุออกไปได้ แต่ในความเป็นจริงแล้วไม่!! อนุภาคควอนตัมนั้นมีโอกาสที่จะทะลุกำแพง(ไม่พัง ไม่มีรู)ออกไปยังอีกฟังได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การลอดอุโมงค์ของอนุภาคควอมตัม (quantum tunnelling)

การที่อนุภาคควอนตัมนั้นสามารถลอดผ่านกำแพงออกไปได้อย่างนี้ต้องขอบคุณสมบัติทวิภาคระหว่างคลื่นและอนุภาคทีเดอเบรยได้เสนอเอาไว้บวกกับการตีความที่ว่าคลื่นนั้นเป็นคลื่นของความน่าจะเป็น

เมื่อเรามองว่าอนุภาคเป็นคลื่นแล้วนั้น หากถามว่าอนุภาคนั้นอยู่ตรงไหนเราอาจตอบได้แค่ช่วงที่มีโอกาสจะเจอ delta x ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบริก สมมุติว่าตัวแทนคลื่นที่เราใช่เป็นรูประฆังคว่ำเราจะพบว่าบริเวณที่มีโอกาสเจออนุภาคสูงๆนั้นคือตรงกลาง ส่วนปลายๆนั้นต่ำมากๆแต่ก็มี

ด้วยการมองภาพว่าอนุภาคเป็นคลื่นนั้นเมื่ออนุภาคเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กำแพงจะมีบางส่วนของคลื่นนั้นเลยออกไปจากกำแพง เจ้าส่วนปลายของคลื่นที่เลยออกมานี้บอกถึงโอกาสที่อนุภาคจะอยู่นอกกำแพงนั้นเอง ด้วยเหตนี้อนุภาคควอนตัมจึงมีโอกาส(ไม่เสมอไป)ที่จะลอดออกมาอีกฝากของกำแพง

จากคำอธิบายด้านบนแสดงว่าความหนาของกำแพงควอนตัมนั้นก็มีผลต่อโอกาสในการลอดผ่านมาได้ของอนุภาค

จากรูปเราจะเห็นได้ว่า ยิ่งกำแพงควอนตัมนั้นหนามากขึ้นเท่าไรโอกาสที่อนุภาคจะลอดออกมาก็ยิ่งน้อยลงเท่านั้น

การมีอยู่ของปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ควอนตัมโดนนำไปใช้ประโยชน์ เช่น การทำกล้อง STM (The Scanning Tunneling Electron Microscope) ธรรมดาเรามองเห็นพื้นผิวของวัตถุนั้นอาศัยหลักการสะท้อนของแสงจากพื้นผิวเข้าตาเรา แต่หากเราต้องการเห็นพื้นผิวของวัตถุในระดับอะตอมนั้นหลักการของแสงธรรมดาดูจะไม่ได้ช่วยอะไร(เพราะเราไม่เคยเลยซักครั้งที่จองมองผิววัตถุแล้วอยู่ดีๆเห็นการเรียงตัวของอะตอมที่ผิว) การที่เราจะมองเห็นในระดับนั้นได้เราต้องปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ควอนตัมดังที่กล่าวไปข้างต้น

รูปด้านบนแสดงแผนภาพกล้อง STM หัวใจการทำงานอยู่หัวทิปที่ทำให้ตรงบริเวณนั้นมีอะตอมเรียงอยู่ไม่กี่อะตอม จากนั้นนำไปใกล้พื้นผิงที่เราต้องการสำรวจและทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างหัวทิปกับผิว เมื่อหัวทิปเข้ามาใกล้มากพอ(แต่ไม่สัมผัส)กับผิวที่จะทำให้อิเล็กตรอนนั้นกระโดดข้ามจากผิวไปยังหัวทิป (ช่องว่างระหว่างหัวทิปกับผิววัสดุนั้นเปรียบเทียบได้กับกำแพงควอนตัมนั้นเอง) เครื่องจะทำการเก็บสัญญาณของกระแสที่ไหลเนื่องจากอิเล็กตรอนลอดอุโมงค์ขึ้นแล้วแปรงเป็นระยะห่างระหว่างผิวได้ เมื่อเราทำการเลื่อนหัวทิปไปเรื่อยๆ แต่อาจต้องมีการเลื่อนหัวทิปขึ้นลงไปมาขึ้นอยู่กับการเรียงตัวของอะตอมที่ผิววัสดุนั้นๆ สุดท้ายทำการประมวลผลทั้งหมดทำให้ได้ภาพของผิววัสดุระดับอะตอมออกมา รูปด้านล่างเป็นตัวอย่างของผิวทองคำ

นอกจากข้อดีแล้วปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ควอนตัมก็สร้างปัญหาให้กับอุตสหกรรมคอมพิวเตอร์อย่างมาก เพราะการเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของคอมนั้นคือต้องเพิ่มจำนวนของ Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor หรือ MOSFET ซึ่งเป็นส่วนประกอบพื้นฐานหลักในการทำงานของอุปกรณ์

แต่การที่เราทำให้มันเล็กลงแต่ต้องไปแออัดกันมากขึ้นในพื้นที่อันจำกัด(ด้วยขนาดของอุปกรณ์) หากเราคิดภาพง่ายว่าการเข้ามาใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆของ MOSFET นั้นจะเป็นการลดช่องว่างระหว่างมันนั้นคือลดขนาดของกำแพงควอมตัมนั้นเอง แสดงว่าการลดช่องว่างนั้นมีขีดจำกัดเพราะถึงค่าหนึ่งอิเล็กตรอนจะสามารถกระโดดข้ามระหว่าง MOSFET ได้ทำให้เกิดการรัดวงจร มีการคาดเดากันว่าอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์แบบเก่านี้จะอยู่ไปได้ถึงปี 2026 จากนั้นจะถึงทางตัน ทางออกหนึ่งที่เป็นความหวัง ณ ตอนนี้คือในเมื่อควอนตัมมันเป็นปัญหา เราก็นำปัญหามาใช้ประโยชน์ นั้นคือ ควอนตัมคอมพิวเตอร์