وفقًا لقواعد الكم، يمكن للإلكترونات أن تتصرف كجسيم وموجة، ويمكن أن تكون الأشياء في حالات مختلفة في وقت واحد – وهي ظاهرة تستخدمها أجهزة الكمبيوتر الكمومية لصالحها، ويعد النفق الكمومي من أغرب الأشياء التي اكتشفها العلماء عند دراسة الرياضيات الكمومية، وفي هذا المقال سنوضح ما هو النفق الكمومي
ما هو النفق الكمومي
- النفق الكمومي أو نفق كيمياء الكم، هو ظاهرة ميكانيكية الكم حيث يمكن للدالة الموجية أن تنتشر عبر حاجز محتمل.
- يمكن أن يكون الانتقال عبر الحاجز محدودًا، ويعتمد بشكل كبير على ارتفاع الحاجز وعرضه، قد تختفي الدالة الموجية من جانب وتعاود الظهور على الجانب الآخر، حيث يحدث النفق بحواجز سمكها حوالي 1-3 نانومتر وأصغر.
- يحدد البعض أيضًا الاختراق المجرد للدالة الموجية في الحاجز، دون انتقال على الجانب الآخر على أنه تأثير نفق، لا يتم التنبؤ بالنفق الكمي بواسطة قوانين الميكانيكا الكلاسيكية حيث يتطلب التغلب على حاجز محتمل طاقة كامنة.
- بمعنى أكثر بساطه فإن النفق الكمومي هو ظاهرة ميكانيكية، تحدث عندما تتحرك الجسيمات عبر حاجز، وفقًا لنظريات الفيزياء الكلاسيكية فان عبور جسيم من خلال حاجز، هو شئ مستحيل الحدوث، إذ يمكن أن يكون الحاجز عبارة عن عازل او حتى منطقة ذات طاقة جهد عالية.
- يلعب النفق الكمي دورًا أساسيًا في الظواهر الفيزيائية، مثل الاندماج النووي، وله تطبيقات في الصمام الثنائي النفقي، والحوسبة الكمومية، وفي مجهر المسح النفقي.
- تم اكتشاف ظاهرة النفق في أوائل القرن العشرين، وجاء قبوله كظاهرة فيزيائية عامة في منتصف القرن، حيث يُتوقع أن يُنشئ النفق الكمي حدودًا مادية لحجم الترانزستورات المستخدمة في الإلكترونيات الدقيقة، نظرًا لأن الإلكترونات قادرة على عبور الترانزستورات الصغيرة جدًا عبر نفق.
النفق الكمومي وفقًا لمبدأ عدم اليقين
يمكن تفسير النفق من حيث مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ حيث يمكن أن يُعرف الكائن الكمي باسم موجة أو كجسيم بشكل عام، بعبارة أخرى، يسمح عدم اليقين في الموقع الدقيق لجسيمات الضوء لهذه الجسيمات بكسر قواعد الميكانيكا الكلاسيكية، والتحرك في الفضاء دون تجاوز حاجز الطاقة الكامن.
اقرأ أيضا: ما هي نظرية الحقل الكمومي
تفسير ظاهرة النفق الكمومي
- النفق هو في الواقع كلمة مروعة لاستخدامها، لأن المصطلح يستحضر صورًا لجسيم يشق طريقه عبر جدار، لكن لا يوجد ثقب أو نفق أو أي نوع آخر من الفتحات.
- بدلاً من ذلك، نحتاج إلى استخدام نفس العملة التي يتعامل بها مجال ميكانيكا الكم: الاحتمال، حيث يمكن وصف الجسيم بأنه موجة متذبذبة، واتساعه يمثل احتمال العثور عليه في مكان معين.
- عند مواجهة حاجز، فأنه الموجة الكمومية لهذا الجسيم لا تنتهي فجأة، بدلاً من ذلك، فأن سعته سوف تقل بشكل كبير، وهذا الانخفاض في سعة الموجة يعني انخفاض احتمالية العثور على الجسيم عند الحاجز.
- إذا كان الحاجز رقيقًا بدرجة كافية، فقد تكون سعة الموجة غير صفرية على الجانب الآخر، هذا يعني أن هناك احتمالًا محدودًا بأن بعض الجسيمات ستتواجد على الجانب الآخر من الحاجز كما لو انها اخترقت الحاجز عبر نفق كمي.
- إذا فالنفق هو احتمال العثور على جسيم على الجانب الآخر من الحاجز، كلما كان الجسيم أخف، وكلما كان الحاجز أصغر وأضيق، زاد احتمال حدوث ذلك.
تطبيقات النفق الكمي
يميل الكيميائيون إلى تجاهل الأنفاق، ومع ذلك، يمكن أن تتسبب ظاهرة النفق في العديد من الظواهر الطبيعية، كما يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات في الحياة، وكلما بحث العلماء عن الأنفاق، اكتشفوا المزيد من الحالات.
- النفق الكمومي وضوء الشمس: تدمج معظم النجوم البروتونات في نوى الهيليوم، مما يؤدي إلى طرد كميات هائلة من الطاقة في هذه العملية.
تكمن المشكلة في أنه بينما تكون شمسنا حارة، فإنها ليست ساخنة بدرجة كافية لإعطاء بروتونات الشمس طاقة كافية للتغلب على التنافر الإلكتروستاتيكي المتبادل.
لكن الاحتمال الضئيل للنفق – 1 من 10 28 – يعني أن بعض الجسيمات لا تزال تمر عبر حاجزها المنافر.
نظرًا لأن الشمس تحتوي على كميات هائلة من الهيدروجين، فإن هذا الاحتمال الضئيل يترجم في 10 38 حدث اندماج في الثانية، ينتج ما يكفي من الضوء والحرارة لجعل الحياة على الأرض ممكنة. - تم العثور على مجموعات ثلاثية فلورو ميثيل كاملة – وهي ضخمة من الناحية الكمية – تتسلل عبر حواجز الطاقة، يمكن لذرات الهيدروجين أن تنفق على مسافات كبيرة .
- هناك أيضًا تطبيقات لم تكن لتوجد بدون النفق الكمومي، مثل الفحص المجهري النفقي، والذي يسمح للكيميائيين برؤية الذرات الفردية.
- يستخدم النفق الكمومي لذرات النيتروجين في جزيء الأمونيا كساعةٍ ذرية، إذ أنه يستخدم كوسيلةٍ لقياس الوقت في واحدةٍ من الساعات الذرية المبكرة.ح
اقرأ أيضا: ما هي الكيمياء الكمومية
تاريخ النفق الكمومي
- تم تطوير نفق الكم من دراسة النشاط الإشعاعي، التي اكتشفها هنري بيكريل عام 1896 .
- في عام 1901، اكتشف روبرت فرانسيس إيرهارت، نظام توصيل غير متوقع أثناء التحقيق في توصيل الغازات بين الأقطاب الكهربائية المتقاربة باستخدام مقياس تداخل ميكلسون.
- عام 1911 ثم عام 1914، قام طالب الدراسات العليا آنذاك فرانز روثر بقياس تيارات انبعاث المجال الثابت، واستخدم طريقة إيرهارت للتحكم في فصل القطب الكهربائي وقياسه، ولكن باستخدام منصة حساسة للجلفانومتر.
- وفي عام 1926، قاس روثر تيارات انبعاث المجال في فراغ صعب بين أقطاب كهربائية متقاربة.
- لوحظ حفر النفق الكمي لأول مرة في عام 1927 من قبل فريدريك هوند، بينما كان يحسب الحالة الأرضية لإمكانات البئر المزدوج
- وكان أول تطبيق لها تفسير رياضي ل ألفا الاضمحلال، والذي تم تطويره في عام 1928 من قبل جورج جامو، وبشكل مستقل من قبل رونالد غرني و ادوارد كوندون.
- حل الباحثون الأخيرون في وقت واحد معادلة شرودنجر لنموذج الجهد النووي، واشتقوا علاقة بين نصف عمر الجسيم وطاقة الانبعاث التي تعتمد بشكل مباشر على الاحتمال الرياضي حفر الأنفاق.
- في وقت لحق أدرك ماكس بورن عمومية النفق الكمي، لقد أدرك أنه لم يقتصر على الفيزياء النووية، بل كان نتيجة عامة لميكانيكا الكم التي تنطبق على العديد من الأنظمة المختلفة.
- بعد ذلك بوقت قصير، نظرت كلتا المجموعتين في حالة الجسيمات التي تدخل نفقًا في النواة.
- في عام 1957، قام ليو إساكي، إيفار جيفيير و بريان جوزيفسون بدراسة أشباه الموصلات وتطوير الترانزستورات، و الثنائيات أدت إلى قبول نفق الإلكترون في المواد الصلبة.
- في عام 2016، تم اكتشاف النفق الكمي للمياه.
