یکی از سوالاتی که در فیزیک کوانتوم در مورد پدیده تونل زنی وجود دارد اینست  که چرا ذراتی که از درون یک سد عبور میکنند به نظر میرسد که سریعتر از سرعت نور حرکت میکنند اما در فضای خالی اینگونه نیست؟
همچنین چیز دیگری گیج کننده میباشد: چرا مدتی که ذره در سد به سر میبرد با افزایش طول سد بیشتر نمیشود؟

این پارادوکس ( تناقض) از سال 1932 بحث های زیادی را در جامعه فیزیک در بر داشته است. اما هربرت وینفول (Herbert Winful) پروفسور دانشگاه میشیگان (University of Michigan) معتقد است که پایانی برای این سوالات پیدا کرده است.

وینفول میگوید که نتایج تئوریکی اش نشان میدهند که آنچه که اندازه گرفته میشده و محاسبه میگردیده در واقع مدت زمان عبور ذره از دونقطه داخل سد نبوده بلکه زمان خالی کردن سد از انرژی موجود آن میباشد. به این زمان تاخیر گروه (group delay) میگویند.

وینفول با استفاده از ساختارهای فتونیکی خاصی (photonic band gap structures) ریاضیات تئوریش بدست آورد. این ساختار ها برخی از طول موج های نور را فیلتر میکنند و بقیه را عبور میدهند. او سپس تاخیر امواج الکترومغناطیسی را که از  آن ساختار ها عبور میکردند را محاسبه مینمود و فهمید که نتیجه دقیقا برابر مدت زمانی است که طول میکشد تا انرژی از دو انتهای سد بیرون آید.

مثالی از چگونگی تاخیرگروه در تونل زنی کوانتومی به این قرار است: دو اتوبوس توریستی را تصور کنید. یکی با 100 مسافر و دیگری 10 نفر. اتوبوس ها به سمت یک رستوران در حرکتند. آنها با هم به مقصد میرسند، اما اتوبوسی که 10 نفر در آن هستند زودتر خالی میشود و مسافران زودتر سر شام میروند. اگر زمان رسیدن را به صورت زمان متوسط رسیدن یک مسافر به میز شام تعریف کنیم آنگاه این زمان برای اتوبوسی که کمتر مسافر دارد کوتاهتر است. همچنین بیان میکند که چرا زمان تاخیرگروه بدون توجه به مسافت طی شده مساوی است.

در تونل زنی کوانتومی بیشتر ذرات ( آدم های داخل اتوبوس) به بیرون سد میروند و فقط تعداد کمی از درون آن عبور میکنند. در مقایسه با جایی که سد وجود ندارد، حضور سد باعث کاهش مقدار انرژیی میشود که میتواند ذخیره گردد. زمان تاخیری اندازه گیری شده مستقیما با انرژی ذخیره شده ارتباط دارد و همان زمانی است که طول میکشد تا این انرژی ذخیره شده آزاد شود.

وقتیکه سد را طویل تر کنیم مدت زمان هیچ تغییر نمیکند چونکه سد یک مقدار ظرفیت انرژی معین دارد که به طول آن ربطی ندارد دقیقا مانند اتوبوس که گنجایش معین دارد صرف نظر از اینکه چه مسافتی را میپیماید.

وینفول نتایجش را در 25 جولای به صورت مقاله مدعو در کنفرانسی در واشنگتن به نام Slow and Fast Light Conference ارائه میکند.

او میگوید:" این یک سوال مهم از دیدگاه بنیادی فیزیک است، اما از طرف دیگر مهم نیست! زیرا که به شما سرعت نهایی که دستگاه های تونل زنی میتوانند کار کنند را میدهد. نتایج من به نوعی غمناک هستند چرا که نشان میدهد ما نمیتوانیم بیشتر از سرعت نور حرکت کنیم."
او چنین ادامه میدهد که از طرف دیگر خیالمان راحت میشود چون میفهمیم که اینشتین درست میگفت...

تونل زنی کوانتومی در میکروسکوپ هایی (STM) استفاده میشود که قادر میسازد مشاهداتی در مقیاس اتم داشته باشیم.

منبع

گالری عکس های STM: