Techniklexikon

Tunneleffekt

Quantenmechanische (Quantenmechanik) Erscheinung, bei der Teilchen (Elementarteilchenphysik), deren Energie eigentlich nicht ausreicht, einen bestimmten »Potentialwall« zu durchdringen, dieses doch vermögen, indem sie ihn »durchtunneln«. DerT. bietet eine Erklärung des Alphazerfalls (Ionisierende Strahlung) sowie der Leitung von Elektronen an Kontaktstellen, wo durch Oxidation »Potentialschwellen« entstehen. In der Elektronik: Transportmechanismus von Ladungsträgern, bei dem die Ladungsträger eine Potentialbarriere passieren können, ohne nach der klassischen Physik genügend Energie zu besitzen (Bändermodell). Der T. ist ein quantenmechanisch erklärbares Phänomen, das sich damit veranschaulichen läßt, daß die Elektronen neben den Teilcheneigenschaften auch Wellencharakter haben, der sich mit der sog. Wellenfunktion mathematisch beschreiben läßt. Betrachtet man das Elektron als Welle, so wird bei Auftreffen der Welle auf die Potentialbarriere der größte Teil der Welle reflektiert, ein Teil dringt jedoch ein, wird dort gedämpft und gelangt bei entsprechend geringer Dicke auf die andere Seite der Potentialbarriere. Kernphysik, mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht zu erklärende quantenmechanische Erscheinung, bei der ein Durchgang eines Teilchens durch einen Potentialwall auch dann erfolgen kann, wenn die kinetische Energie dieses Teilchens geringer ist als die Höhe der Barriere.

Die quantenmechanische Behandlung des Tunneleffekts geht von der eindimensionalen stationären Schrödinger-Gleichung für die Wellenfunktion  aus und bestimmt den Durchlasskoeffizienten D als das Verhältnis der durchgelassenen Intensität  zur Intensität der einlaufenden Welle. Bei beliebigem Potentialverlauf ergibt sich genähert für

speziell im Fall eines symmetrischen rechteckigen Potentialwalls der Breite  gilt ohne weitere Einschränkungen

mit  und . Der Durchlasskoeffizient nimmt also mit wachsender Breite a und Verringerung der Energie E rasch ab. Der Tunneleffekt wurde erstmals 1928 im Zusammenhang mit dem Alphazerfall der Atomkerne von G. Gamow diskutiert; er ermöglicht weiterhin die Erklärung der spontanen Kernspaltung, der Feldemission von Elektronen aus Metalloberflächen und der Elektronenleitung an Kontaktstellen, bei denen infolge der oberflächlichen Oxidation ebenfalls Potentialschwellen auftreten. Ein Spezialfall von letzterem stellen die Tunneleffekte in Supraleitern dar, eine wichtige Anwendung des Tunneleffekts ist die Rastertunnelmikroskopie.

Tunneleffekt: Einlaufende, reflektierte und getunnelte Welle.