מנהור קוונטי

מנהור קוונטי היא תופעה פיזיקלית מתורת הקוונטים בה חלקיק יכול, בהסתברות נמוכה, לעבור דרך מחסום פוטנציאל. בהמשלה, תופעת המנהור היא תופעה שבה כדור הנזרק לעבר קיר, יעבור דרך הקיר ויופיע בצידו השני. במכניקה הקלאסית התופעה איננה יכולה להתרחש: חלקיקים אינם יכולים להימצא באזור של מחסום פוטנציאל, ואינם יכולים לעבור דרך מחסום הפוטנציאל. התופעה נובעת מאופיים הגלי של החלקיקים על פי תורת הקוונטים, ולכן ניתן לצפות אותה בתנאים בהם מכניקת הקוונטים תקפה, כלומר עבור חלקיקים קטנים ובטמפרטורות נמוכות.

זוהי תופעה גלית שאינה קשורה דווקא למכניקת הקוונטים, הנקראת צימוד גלים כָּלים (evanescent wave coupling).

סימולציה של תהליך המנהור. חלקיק מתקרב לקיר פוטנציאל, רוב פונקציית הגל של החלקיק מוחזרת על ידי הקיר, אולם חלק קטן ממנה מצליח לבצע מנהור דרך הקיר ולעבור לצדו השני.

תהליך המנהור הקוונטי במקרה חד־ממדי. ב-$x=0$ ניצב מחסום פוטנציאל דק; ניתן לראות שלמרות הפוטנציאל הגבוה, כמחצית מפונקציית הגל של החלקיק עוברת את הקיר כתוצאה מהמנהור.

הסבר התופעה

על פי תורת הקוונטים חלקיק מתואר על ידי פונקציית גל המתארת את ההסתברות למצוא את החלקיק בכל מקום. בתוך מחסום פוטנציאל, מקום שעבורו באופן קלאסי חלקיק לא יכול להימצא, ההסתברות למצוא את החלקיק אכן קטנה במהירות, אך מכיוון שפונקציית הגל היא רציפה, אזי הפונקציה איננה יכולה להתאפס בבת אחת. במקום זאת היא דועכת לרוב בצורה מעריכית. מכאן שכאשר מחסום הפוטנציאל איננו רחב מדי, פונקציית הגל של החלקיק לא תדעך דרכו ל-0, ולכן תהיה הסתברות כלשהי למצוא את החלקיק בעברו השני של מחסום הפוטנציאל גם באופן מעשי.

לתופעה יש תקביל קלאסי באופטיקה: ניקח חומר שאינו מעביר אור דרכו ואינו בולע אור, כלומר מחזיר את כל האור, וניצור פרוסה דקה ממנו. מבעד לפרוסה נקבל העברה חלקית של אור. ההסבר לכך הוא אותו הסבר: אור הוא למעשה שדה חשמלי ושדה מגנטי המתנדנדים בזמן. השדה החשמלי הוא פונקציה רציפה ולכן בכניסה לחומר השדה אינו יכול להתאפס בבת אחת, ובמקום זה הוא דועך בתוך החומר באופן מעריכי. אם החומר דק, אזי השדה החשמלי לא ידעך לגמרי בתוך החומר ואור יעבור דרכו.

היסטוריה

תופעת המנהור התגלתה על ידי פרידריך הונד ויושמה על ידי גאורג גאמוב שהשתמש בה בשביל להסביר את תופעת ההתפרקות אלפא. התפרקות אלפא היא תהליך של התפרקות רדיואקטיבית שבה גרעין האטום פולט חלקיקי אלפא, שהם למעשה אטומי הליום מיוננים (שני פרוטונים ושני נייטרונים). על מנת שתהיה קרינת אלפא, חלקיקי האלפא צריכים לעבור דרך מחסום הפוטנציאל של הכח החזק ("קיר") הלוכד את חלקיקי האלפא בגרעין. בעקבות הרצאה שנתן גאמוב בנושא, בנו ג'ון קוקרופט וארנסט וולטון מאיץ חלקיקים המגיע לאנרגיה של כמה מיליוני אלקטרון וולט, ובעזרתו הצליחו לראשונה לבקע את הגרעין (תגלית שעבורה הם זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1951). אנרגיית המאיץ לא הספיקה בשביל לעבור את מחסום הפוטנציאל שיוצר גרעין האטום, אך בזכות תופעת המנהור היה ניתן לפרק את הגרעין בכל זאת. ניסוי זה החל עידן חדש בפיזיקה – עידן מאיצי החלקיקים. גאמוב גם הבין שתופעת המנהור היא תופעה קוונטית כללית, שאיננה מיוחדת רק לקרינה גרעינית.

לתופעת המנהור קיימים היום שימושים רבים. מיקרוסקופ מנהור סורק, לדוגמה, משתמש בתופעה על מנת לסרוק פני שטח של חומרים. על בסיס התופעה עובד זיכרון מסוג זיכרון הבזק, כאשר מתאפשר מעבר של אלקטרונים בין הדקי טרנזיסטורים המהווים בורות פוטנציאל.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מנהור קוונטי בוויקישיתוף

• מנהור קוונטי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מינהור (פיזיקה), דף שער בספרייה הלאומית