隧道效应

在量子力学里，量子隧穿效应为一种量子特性，是如电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的概率穿过位势障壁。

若要使隧穿效应发生，必须有一个2 型介质的薄区域，像三明治一般，夹在两个1 型介质的区域。2 型介质的波动方程必须容许实值指数函数解（上升指数函数或下降指数函数），而1 型介质的波动方程则必须容许行进波解。在光学里，1 型介质可能是玻璃，而2 型介质可能是真空。在量子力学里，从粒子运动这方面来说，1 型介质区域是粒子总能量大于位能的区域，而2 型介质是粒子总能量小于位能的区域（称为位势垒）。

假若条件恰当，从1 型介质区域入射至2 型介质区域，行进波的波幅会穿透过2 型介质区域，再以进行波的形式，出现于第二个1 型介质区域。在量子力学里，穿透过的波幅可以合乎物理地解释为行进粒子。遵守薛定谔波动方程，穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率给出了粒子隧穿的透射系数，也就是其透射概率。对于遵守其它种波动方程的光波、微波、绳波、声波等等，穿透波幅可以物理地解释为行进能量，而穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率则给出了穿透能量和入射能量的比率。

这些"类似隧穿现象"发生的尺寸与行进波的波长有关。对于电子来说，2 型介质区域的厚度通常只有几纳米。相比之下，对于一个隧穿出原子核的阿尔法粒子来说，厚度会是超小；对于光波来说，虽然2 型介质区域的厚度超大，类似现象仍旧会发生。

正在接近一个位势垒的一个电子，必须表达为一个波列。有时候，这波列可能会相当长。在某些物质里，电子波列的长度可能有10 至20 纳米。这会增加模拟动画的难度。假设可以用短波列来代表电子，那么，右图动画正确地显示出隧穿效应。

有些研究隧穿效应的物理学家认为，粒子只不过拥有波样的物理行为，实际上粒子是质点样的。支持这看法的实验证据非常稀少。多数物理学家比较偏好的看法是，粒子xx实际上是非局域的(delocalized)，而是波样的，总是表现出波样的物理行为。但是，在某些状况，使用移动质点的数学来描述其运动是一个很便利的方法。这里，我们采取第二种看法。不论如何，这波样的物理行为的真实本质是一个更深奥的问题，不包括在此文所讲述范围之内。

根据光隧道效应原理，利用光纤探测头、压电陶瓷、光电倍增管、扫描控制跟踪系统和微机，可以构成光隧道显微镜。它可以探测样品的表面形貌。在经典物理中，光在光纤内部全反射，在量子物理中，激光可以从一根光纤内通过隧道效应进入相距很近的另一个光纤内部，分光器就是利用量子隧道效应而制成的。

电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一

步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

理论上，宏观物体也能发生隧穿效应。人也有可能穿过墙壁，但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁，其实际上几乎是完全不可能，以至于人类历史以来还没有成功的纪录。