מנהור קוונטי

מנהור קוונטי היא תופעה פיזיקאלית, מתורת הקוונטים, שלפיה חלקיק יכול, בהסתברות נמוכה, לעבור דרך מחסום פוטנציאל. בהמשלה, תופעת המנהור היא תופעה שבה אם נזרוק כדור על קיר, יש לו סיכוי לעבור דרך הקיר ולהופיע 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 שבהם מכניקת הקוונטים תקפה, כלומר עבור חלקיקים קטנים ובטמפרטורות נמוכות.

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

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 לרדת ל-0 בבת אחת. במקום זאת היא דועכת בצורה אקספוננציאלית. 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. 

לתופעה יש אנלוג 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 בבת אחת להתאפס, ובמקום זה הוא דועך בתוך החומר באופן אקספוננציאלי. אם החומר הוא דק, אזי השדה החשמלי לא ידעך לגמרי ל-0 בתוך החומר ונקבל העברה של אור דרכו.

היסטוריה

תופעת המנהור התגלתה לראשונה על ידי פרידריך הונד ויושמה על ידי גאורג גאמוב שהשתמש בה בשביל להסביר את התופעה של התפרקות אלפא. התפרקות אלפא היא תהליך של התפרקות רדיואקטיבית שבה גרעין האטום פולט החוצה חלקיקי אלפא, שהם למעשה אטומי הליום מיוננים. על מנת שתהיה קרינת אלפא, חלקיקי האלפא צריכים לעבור דרך 'קיר': דרך מחסום הפוטנציאל של הכח החזק 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 קיבלו פרס נובל לפיזיקה בשנת 1951). אנרגיית המאיץ לא הספיקה בשביל לעבור את מחסום הפוטנציאל שיוצר גרעין האטום, אך בזכות תופעת המנהור, ניתן היה לפרק את הגרעין בכל זאת. ניסוי זה החל עידן חדש בפיזיקה - עידן המאיצים. 

גאמוב גם הבין שתופעת המנהור היא תופעה קוונטית כללית, שאיננה מיוחדת רק לקרינה גרעינית. 

לתופעת המנהור קיימים היום שימושים רבים. לדוגמה מיקרוסקופ מנהור סורק 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

 
 

מכניקת הקוונטים