[재밌는 양자역학] 10. 터널링 효과(Tunneling effect)

안녕하세요 !! 생각하는 공대생 입니다.

이번 포스트에서는 현대 물리학과 공학에서 매우 중요한 현상인

터널링 효과(Tunneling effect)를 알아보려고 합니다!! go go~

터널링 효과란 미시세계의 입자가 갖는 파동의 성질인데요!!

우리가 사는 거시세계에서는 물질의 운동량이 매우 크므로 파동의 성질이 잘 나타나지 않습니다.

예를 들어 자동차는 벽을 통과해서 반대편으로 가는것이 불가능하죠

즉, 고전역학의 세계에서는 자신이 갖는 에너지보다 높은 에너지 장벽을 넘는게 불가능합니다.

그러나 역시 눈치 채셨겠지만~

전자와 같이 양자역학의 지배를 받는 미시세계에서는 이것이 가능합니다!!

입자가 벽을 넘어 마치 공간이동을 하는것처럼 말입니다.

매우 작은 입자는 파동의 성질을 갖기 때문에 위의 그림처럼 에너지 벽을 통과 할 수 있습니다.

슈뢰딩거 방정식에서 배웠듯이 그림에 나타나 있는 파란선은 입자의 파동함수입니다.

저 값이 0이 아니기만하면 입자가 존재할 수 있다는 것이죠!!

자 어떤가요?? 

파동함수가 회색의 에너지 장벽을 통과하면서 뭔가 줄어들긴 하지만 0이 되지 않고

벽을 통과하고 나서도 파동함수가 약하게 존재하는 것을 볼 수 있습니다!!

즉, 입자의 '존재 확률'은 줄어들었지만 0이 아니기 때문에 벽 밖에 존재한다고 볼 수 있는것이죠!!!

(당연히 실제로도 관측이 됩니다)

다만 에너지 장벽이 너무 두껍지 않아야 하고 입자 또한 어느정도 질량이 작아야 한다는 조건이 있습니다.

이런 현상을 바로 터널링 효과(Tunneling effect)라고 합니다.

이러한 터널링 효과는 현재 실험물리학에서 매우 중요한 현상인데요

그 이유중 하나는 바로 STM(Scanning Tunneling Microscope)이라고 불리는 

주사터널링현미경에 사용되는 원리이기 때문입니다.

주사터널링현미경은 SPM(Scanning Probe Microscope)의 일종으로 시료표면의 구조를 알 수 있습니다.

Tip의 끝부분은 원자 1개로 이루어져 있는데요, 이 tip을 시료 표면에 매우 가깝게(1nm) 가져가면

공기층이 가로막고 있음에도 tunneling 현상에 의해 전자가 이동하면서

시료표면의 원자들과 tip 사이에 tunneling 전류가 흐르게 되는데 

이의 변화를 측정하여 시료표면의 모양을 원자단위로 볼 수 있는 현미경입니다.

과학과 문명의 발전으로 거시세계에서도 터널링효과를 사용할 수 있다면.... 

공상과학 영화에서만 보던 순간이동, 공간이동이 가능할지도 모르겠습니다 ㅎㅎ

다음에 계속