प्रमात्रा सुरंगन

भौतिकी में, प्रमात्रा सुरंगन (जिसे अवरोध भेदन या केवल सुरंगन भी कहा जाता है) एक प्रमात्रा यांत्रिक घटना है जिसमें कोई वस्तु (जैसे इलेक्ट्रॉन या परमाणु) एक स्थितिज ऊर्जा अवरोध से होकर गुजरती है। चिरसम्मत यांत्रिकी के अनुसार, वस्तु में अवरोध को पार करने या उस पर चढ़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न होने के कारण यह अवरोध अगम्य (न पार करने योग्य) होना चाहिए।

सुरंगन पदार्थ की तरंग प्रकृति का परिणाम है। प्रमात्रा तरंग प्रकार्य किसी कण या अन्य भौतिक प्रणाली की अवस्था का वर्णन करता है, और तरंग समीकरण (जैसे कि श्रोडिंगर समीकरण) उनके व्यवहार का वर्णन करते हैं। एक तरंग पैकेट के अवरोध से होकर संचरित होने की प्रायिकता, अवरोध की ऊँचाई, अवरोध की चौड़ाई और सुरंगन करने वाले कण के द्रव्यमान के साथ घातांकीय रूप से घटती है। इसलिए, सुरंगन का प्रभाव सबसे स्पष्ट रूप से निम्न-द्रव्यमान वाले कणों (जैसे इलेक्ट्रॉन या प्रोटॉन) में देखा जाता है जो सूक्ष्म रूप से संकीर्ण अवरोधों से होकर गुजरते हैं। इलेक्ट्रॉनों के लिए लगभग १-३ नैनोमीटर या उससे कम मोटाई के, और भारी कणों (जैसे प्रोटॉन या हाइड्रोजन परमाणुओं) के लिए लगभग ०.१ नैनोमीटर या उससे कम मोटाई के अवरोधों में सुरंगन का आसानी से पता लगाया जा सकता है। कुछ स्रोत केवल तरंग प्रकार्य के अवरोध में प्रवेश करने को (बिना दूसरी ओर संचरण के) भी सुरंगन प्रभाव के रूप में वर्णित करते हैं, जैसे कि एक परिमित स्थितिज कूप की दीवारों में सुरंगन करना।  

सुरंगन भौतिक घटनाओं में एक आवश्यक भूमिका निभाता है, जैसे परमाणु नाभिकों का नाभिकीय संलयन और अल्फा रेडियोधर्मी क्षय। सुरंगन के अनुप्रयोगों में सुरंग डायोड, प्रमात्रा संगणन (क्वांटम कम्प्यूटिंग), फ्लैश मेमोरी और अवलोकन सुरंगन सूक्ष्मदर्शी यंत्र शामिल हैं। सुरंगन माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के न्यूनतम आकार को सीमित करता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन लगभग १ नैनोमीटर से पतले विद्युतरोधक परतों और ट्रांजिस्टरों में आसानी से सुरंगन कर लेते हैं। 

इस प्रभाव की भविष्यवाणी २०वीं सदी के प्रारंभ में की गई थी। इसे एक सामान्य भौतिक घटना के रूप में स्वीकृति मध्य शताब्दी में मिली।

अवधारणा का परिचय

प्रमात्रा सुरंगन प्रमात्रा यांत्रिकी के क्षेत्र में आता है। इस घटना को समझने के लिए, एक स्थितिज अवरोध को पार करने का प्रयास करने वाले कणों की तुलना एक पहाड़ी पर चढ़ने की कोशिश कर रही गेंद से की जा सकती है। प्रमात्रा यांत्रिकी और शास्त्रीय यांत्रिकी इस परिदृश्य के प्रति अपने उपचार में भिन्न हैं।

शास्त्रीय यांत्रिकी भविष्यवाणी करती है कि जिन कणों में शास्त्रीय रूप से अवरोध पर चढ़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं होती, वे दूसरी ओर नहीं पहुँच सकते। इस प्रकार, पहाड़ी पर चढ़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न होने पर गेंद वापस नीचे लुढ़क जाएगी। प्रमात्रा यांत्रिकी में, एक कण कम प्रायिकता के साथ, अवरोध के दूसरी ओर 'सुरंग' कर सकता है, इस प्रकार अवरोध को पार कर सकता है। इस अंतर का कारण पदार्थ को तरंगों और कणों दोनों के गुणों वाला मानने से आता है।

सुरंगन समस्या

एक स्थितिज अवरोध पर आपतित हो रहे तरंग पैकेट का सिमुलेशन। सापेक्ष इकाइयों में, अवरोध ऊर्जा २० है, जो तरंग पैकेट की माध्य ऊर्जा १४ से अधिक है। तरंग पैकेट का एक भाग अवरोध से होकर गुज़रता है।

कणों की किसी भौतिक प्रणाली का तरंग प्रकार्य उस प्रणाली के बारे में वह सब कुछ निर्दिष्ट करता है जो जाना जा सकता है। इसलिए, प्रमात्रा यांत्रिकी की समस्याएँ प्रणाली के तरंग प्रकार्य का विश्लेषण करती हैं। गणितीय सूत्रीकरणों (जैसे श्रोडिंगर समीकरण) का उपयोग करके, किसी ज्ञात तरंग प्रकार्य के समय के साथ विकास का अनुमान लगाया जा सकता है। इस तरंग प्रकार्य के परिमाण के वर्ग का सीधा संबंध कणों की स्थितियों के प्रायिकता वितरण से होता है, जो उन स्थितियों पर कणों के मापे जाने की प्रायिकता का वर्णन करता है।

सुरंगन प्रभाव और अवलोकन सुरंगन सूक्ष्मदर्शी यंत्र (एसटीएम) में इसके अनुप्रयोग को दर्शाता हुआ एनीमेशन।

जैसा कि एनीमेशन में दिखाया गया है, जब एक तरंग पैकेट बाधा पर बाधा डालता है, तो इसका अधिकांश भाग परावर्तित होता है और कुछ बाधा के माध्यम से प्रेषित होता है। तरंग पैकेट अधिक डी-लोकलाइज्ड हो जाता हैः यह अब बैरियर के दोनों किनारों पर है और अधिकतम आयाम में कम है, लेकिन एकीकृत वर्ग-परिमाण में बराबर है, जिसका अर्थ है कि कण कहीं एकता बनी हुई है। बाधा जितनी चौड़ी और बाधा ऊर्जा जितनी अधिक होगी, सुरंग बनने की संभावना उतनी ही कम होगी।

जैसा कि एनीमेशन में दिखाया गया है, जब कोई तरंग पैकेट अवरोध से टकराता है, तो उसका अधिकांश भाग परावर्तित हो जाता है और कुछ भाग अवरोध से होकर संचरित हो जाता है। तरंग पैकेट अधिक विस्थानीकृत हो जाता है: अब यह अवरोध के दोनों ओर है और अधिकतम आयाम में कम है, लेकिन समाकलित वर्ग-परिमाण में समान है। इसका अर्थ है कि कण के कहीं होने की प्रायिकता एक (इकाई) बनी रहती है। अवरोध जितना चौड़ा और अवरोध ऊर्जा जितनी अधिक होगी, सुरंगन की प्रायिकता उतनी ही कम होगी।

सुरंगन अवरोध के कुछ मॉडलों, जैसे दिखाए गए आयताकार अवरोधों, का बीजगणितीय विश्लेषण और समाधान किया जा सकता है। अधिकांश समस्याओं का बीजगणितीय समाधान नहीं होता, इसलिए संख्यात्मक समाधानों का उपयोग किया जाता है। "अर्धशास्त्रीय विधियाँ" अनुमानित समाधान प्रदान करती हैं जिनकी गणना करना आसान होता है, जैसे कि डब्ल्यूकेबी सन्निकटन।

यह भी देखें

• क्षेत्र उत्सर्जन
• सुरंग डायोड
• व्हाइट होल (सफेद छेद)

बाहरी कड़ियाँ

• सुरंग प्रभाव और अन्य प्रमात्रा घटनाओं से जुड़े एनिमेशन, अनुप्रयोग और अनुसंधान (यूनिवर्सिटी पेरिस सुड)
• प्रमात्रा सुरंगन का एनिमेटेड चित्रण
• आरटीडी उपकरण में प्रमात्रा सुरंगन का एनिमेटेड चित्रण
• श्रोडिंगर सुरंग समीकरण का अंतःक्रियात्मक समाधान