Туннельный эффект

Одним из металлов, наиболее часто применяемых для изготовления электрических проводов, является алюминий. Между тем, алюминиевые провода не могут служить в качестве проводников электрического тока. Дело в том, что алюминий - довольно активный металл. Его активности вполне достаточно для того, чтобы легко и без нагревания реагировать с кислородом воздуха и водой. Результатом этой реакции оказывается оксид алюминия, который существует в виде нескольких кристаллических модификаций, но все они являются диэлектриками. Любой кусок алюминия, в том числе любой алюминиевый провод покрыт тонкой пленкой оксида алюминия. В обычных условиях эту пленку невозможно удалить с алюминия, потому что если ее снять каким-либо способом, она мгновенно образуется вновь. По этой причине алюминиевый провод всегда находится в оболочке, которая является лучшим изолятором, чем пластиковая изоляция, которую срезают при подключении провода к клемме. Почему же тогда мы вполне успешно пользуемся алюминиевыми проводами?

Все дело в толщине оксидного слоя! Она очень невелика - всего 2-3 нанометра. Классический электрон не смог бы "просочиться" сквозь пленку. Но электрон - квантовый объект, барьеры для него носят вероятностный характер. Из-за этого вероятность прохождения электроном барьера в виде слоя непроводящей пленки оказывается достаточно высокой. Это явление носит название туннельного эффекта.

Туннельный эффект регулярно проявляется на микро-уровне. Из-за туннельного эффекта, например, электрон гантелеобразной р-орбитали не "врезается" в ядро атома. Наблюдать туннельный эффект из макромира достаточно сложно, прохождение электронов сквозь оксидную пленку у алюминия и ряда других металлов - едва ли не единственный пример.

В 1957 году Лео Эсаки сумел поставить туннельный эффект на службу компании "Сони" (а в 1973 году получил за это Нобелевскую премию). Эсаки работал над проблемой повышения быстродействия диодов. Диод - полупроводниковый прибор, действие которого основано на прохождении электрического тока через p-n переход лишь в одном направлении. Диоды - "сердце" любого электронного устройства. Современная микросхема содержит много тысяч диодов. Одной из серьезных проблем обычных диодов является время прохождения сигнала через p-n переход. В ряде случаев оно оказывается слишком медленным. Эсаки удалось создать прибор, в котором ток должен был проходить через "плохой" (плохо проводящий), но очень тонкий (10-20 нм) p-n переход. Оказалось, что благодаря туннельному эффекту ток проходил через плохо проводящий, но тонкий переход значительно быстрее, чем через обычный, хорошо проводящий, но более толстый. Диод, изобретенный Эсаки, получил название туннельного диода, и сегодня в любом электронном приборе используется множество диодов этого типа.

Еще одним важным практическим применением туннельного эффекта являются джамперы (картинка справа)- крохотные переключатели, которые стоят, например, на жестких дисках компьютера и определяют, будет ли диск использоваться в качестве "раба" (slave) или  "хозяина" (master).

Туннельный эффект зависит от ряда факторов. Но наиболее важным является толщина барьера. Заметный туннельный эффект можно получить на барьерах толщиной где-то до 20-30 нм. Более толстые барьеры делают вероятность туннельного перехода исчезающе низкой и начинают описываться уже классической физикой.