kuantum tünelleme

ilk başlarda sadece radyoaktif maddelerin atomlarının sahip olduğu düşünülen fakat daha sonraları max born tarafından tüm evren için geçerliliği kanıtlanan kuantum mekaniğinde bir olasılık hesabı.

basitçe kuantum mekaniğinde objelerin karşısındaki engellerin içerisinden geçmesi durumudur. kuantum mekaniğinde objeler, klasik mekanikde olduğu gibi parçacık formatına sahip değildir. bunun yerine parçacık-dalga formatındalardır. örneklendirmek gerekirse, klasik mekanikte elinizdeki topu duvara atarsanız içerisinden geçemez. bunun bir çok nedeni var ve gayet mantığa sığar bir vaziyettedir.

tam adını hatırlayamadığım ingiliz bir fizikçinin, 1900'lerin başında gaz atomlarının iletkenliğini incelerken, gaz atomlarını, aralarında çok kısa mesafe olan iki diyoda yerleştirir. deney esnasında diyodların dışarısından bir iletkenlik ölçerler. kaza olduğunu ve deneyin vakum içerisinde yapılması gerektiğine inanırlar. 1904 ya da 1905 yılında deney çok daha sağlam bir ekipmanla denendiğinde diyodların dışından gelen akım miktarı daha fazladır ve yaptıkları gözlemlerde elektronların bir şekilde hapsedildikleri diyodların içerisinden kaçtığını fark ederler.

schrödinger, max born, dirac gibi ileride dünyayı değiştirecek adamların kantinden arkadaşı friedrich hund (enteresan adam bir bakın derim), 1927'de ingilizlerin makalesine benzer bir yapı tasarlayarak bu grubun o sıralar harıl harıl üzerinde çalıştığı kuantum mekaniği üzerinden olayı çok farklı bir formata getirir. iki duvar arasına bir parçacık yerleştirerek parçacığın temel düzeyde hareketini gözlemler ve parçacığın duvar dışarısına çıkabildiğini fakat enerjisinde bir azalma olduğunu ve parçacığın penetre ettiği duvarda atomik düzeyde bir enerji artışını fark eder.

aynı zaman diliminde alfa ışıması ve radyoaktif ışımalar ile kafayı bozmuş olan friedman'ın varisi george gamow'un alfa parçacıklarının atom içerisindeki potansiyel enerji engeline rağmen nasıl atomu penetre ederek kaçtıkları sorusu yatmaktadır. soru hem radyoaktif ışımaların anahtarı, hem de gamow'un akli dengesinin bandajıdır ve hund müthiş bir zamanlama ile makalesini yayımlayarak hem gamow'u, hem de radyoaktiviteyi kurtaracak bir iş yapar. gamow, kuantum tünnellemesini radyoaktif parçacıkların sahip oldukları enerjileri potansiyel bariyerlere vererek, enerjilerini azaltarak engelleri penetre ettiklerini matematiksel olarak ispatlar, fakat bir eksik vardır bunu gamow ya da sunum yaptığı insanlar fark etmezler.

bu eksik, dünya'yı zaten değiştirmeye başlayan max born, pascual jordan ve werner heisenberg üçlüsünün öss 1.si kıvamındaki adamı olan max born , gamow'un sunumu sırasında eksikliği geçmişte gördüğü bir makale yüzünden farkeder. adam zehir ve tam bir sherlock holmes. 1900'lerin başında yapılan deneyde kullanılan atomlar radyoaktif değildir. bu nedenle max born, gamow'dan tekrar bir sunum isteyerek aslında olayın nasıl olduğunu, 1900'den 1928'e kadar inşaa ettikleri kuantum mekaniği sayesinde çatır çatır foyası ortaya çıkan mikroevren ile açıklamaya başlar.

temelde kuantum objeleri dalga-parçacık formatındalardır ve hareketleri dalga formatına sahiptir. eğer bir kuantum objesi her hangi bir engele doğru hareket eder ise engele geldiği anda belirli durumlar yüzünden duvardan geçebilme olasılığına sahiptir.

birincisi (önce neyle açıklıyoruz) , kuantum mekaniğinde objelerin aynı anda hem konumu, hem de momentum'u bilinemez. (heisenberg belirsizlik ilkesi) bu demektir ki kuantum objelerinin duvara çarpmasından bahsedemezsiniz. bunun yerine objenin momentumunu hesaplarsanız, konumu belirli bir aralık arasında çıkacaktır. yani obje ahada burada diyemezsiniz, şurayla bura arasında bir yerde yani duvarın önü ile arkası arasında bir yerde ve matematiksel olarak gerçektende duvarın önü ya da arkasında belirli olasılıklarla varolabilir.

ikincisi (asıl mekanizma) kuantum objesi penetre edebileceği kalınlıkta bir duvara geldiğinde, dalga formatına dönüşerek duvarın içerisinde bulunan elektronlar tarafından absorbe edilir. objeyi emen elektronlar enerji kazanır ve ışıma yaparak kazandıkları enerjiye yani dalga boyuna eşit bir dalga yayarlar. bu duvar boyunca tekrar edilir ve en sonunda objeniz duvarın içerisinde geçer. kuantum objesi her elektron tarafından absorbe edildiğinde bir miktar enerji kaybeder. duvar eğer çok kalınsa ve kuantum objesi duvarı penetre edemiyorsa, bu demektir ki objenizin sahip olduğu enerji duvar içerisinde elektronlar tarafından emilip, tekrar yayılmasında kaybedeceği enerji, sahip olduğundan çok daha fazladır.

yani, kuantum mekaniğinde elininde ki top sadece yuvarlak şekilli tutabildiğiniz bir obje değildir. bunun yerine parçacık özellikleri gösteren bir dalga formatındadırlar. kuantum objesini kalın bir duvara yolladığınızda büyük ihtimalle geri seker ama duvarın kalınlığını düşürürseniz, obje bazı olasılıklarda duvarın içerisinden geçmeye başlar. duvarı daha çok inceltirseniz, objeniz o kadar yüksek olasılıkla duvarın içerisinden geçer. dikkat edin kesin geçer diye bir şey yok, sadece belirli bir olasılığı var. zaten kuantum mekaniğinde bir şeye kesin demek biraz doğasına ters.

bu fenomen bir çok şeyi açıklığa kavuştururken aynı zamanda teknolojik ilerlemelerinde temellerini belirledir. şu anda çok duyulan kuantum bilgisayarları bu fenomen yüzündendir. bilgisayarlar en temelde transistörler ile çalışmaktadırlar. bilgi akışı bu şekilde kontrol edilir ve transistörler aslında birer elektron bariyeridir. bariyer elektronu durdurusa 0, durdurmazsa 1 şeklinde veriler bir kodlaması vardır ve milyarlarca elektronun kodlanması ile kompleks veriler, başka aritmetik ünitelerde işlenerek ihtiyaç olunan sonuçları doğurur. ne kadar çok transistörünüz var ise, o kadar çok 1 ve 0'ınız ve o kadar çok veri girişiniz var demektir. veriyi arttırıp daha iyi ve kompleks işlem yapmak için bilgisayarın işlemcisini tepsi kadar yapamazsınız, bunun yerine transistörleri küçülterek 1 ve 0 istasyonlarını arttırabilirsiniz. ama bununda bir limiti var bariyeri yeterince küçültürseniz elektronlar bariyer içerisinden tünelleme yaparak geçerler. yani veri işleyemezsiniz, bu nedenle başka bir teknolojiye geçilmesi gerekiyor ve kuantum bilgisayarları burada devreye giriyor. şu anki bilgisayar işlemci teknolojisi limitlerine ulaştı bile.

üniversiteden hatırladıklarımla mobilden yazmaya çalıştım. youreads'e bir mobil uygulama yapılsa fena olmazmış aslında.

not: kuantum mekaniğinde objeler dalga-parçacık formatında olduğundan parçacık demek yanlış olur diye objeyi kullandım.