En mecánica clásica, el movimiento de una partícula está acotado si está atrapada en un pozo de potencial. En la mecánica cuántica este ya no es el caso y existe una probabilidad distinta de cero de que la partícula escape del potencial a través de un proceso llamado tunelización cuántica.
Esto parece extraordinario desde el punto de vista de la mecánica clásica porque implica que la partícula debe cruzar una zona donde tiene un momento imaginario. Entiendo que desde el punto de vista de la mecánica cuántica existe una probabilidad no nula de que la partícula se encuentre en tales zonas.
¿Qué se sabe sobre el comportamiento de la partícula en esta zona?
Se agradecerían los enlaces a experimentos de investigación o artículos.
Puedo darte un ejemplo. En una unión pn de semiconductor con polarización inversa, existe una barrera de potencial que evita que los electrones crucen la unión. Hay una región prohibida enérgicamente en las cercanías del cruce. Las funciones de onda de los estados de los electrones tanto en la banda de valencia como en la de conducción son exponenciales reales en esta región. Además, es posible que la única superposición espacial entre las bandas de valencia y conducción se produzca en la región prohibida. Sin embargo, la absorción óptica se produce debido a las transiciones de valencia a banda de conducción. La interpretación es que los electrones en la región prohibida son promovidos desde la cola exponencial de la banda de valencia a la cola exponencial de la banda de conducción. Este proceso se llama efecto Franz-Keldysho absorción asistida por túnel .
Aquí hay una buena figura de la página de Wikipedia en alemán. La página en inglés no tiene una figura tan bonita.
Una de las extrañezas con respecto al comportamiento de las partículas que cruzan la barrera de un túnel es que: cruzar la barrera del túnel a una velocidad de grupo superlumínica es teóricamente posible (ver tiempo de Wigner y efecto Hartman).
Esto ha sido confirmado experimentalmente por experimentos realizados por R. Chiao con la participación de P. Kwait y A. Steinberg en la Universidad de Berkeley (1993-1995). Estos experimentos se dedicaron a la medición del tiempo de tunelización de fotones a una longitud de onda de 702 nm.
Estas medidas se lograron en comparación con el tiempo de viaje de los fotones "gemelos EPR". Estos gemelos EPR viajaban por la misma longitud del camino óptico, pero en el vacío. Fueron creados por Parametric Down Conversion, por lo tanto, al mismo tiempo que sus "gemelos EPR" cruzando la barrera del túnel. La comparación de los tiempos de llegada se basó en el uso de un interferómetro de Hong, Ou y Mandel.
La barrera del túnel constaba de un espejo dieléctrico con once capas de un cuarto de longitud de onda de material de índice alto (óxido de titanio con n = 2,22) y material de índice bajo (sílice fundida con n = 1,45) alternativamente. El espesor total de las once capas fue de 1,1 µm. Esto implicó un tiempo de recorrido en vacío a través de la estructura de 3,6 fs.
Los datos de la Fig. 3(a) implican que después de atravesar la barrera del túnel, el pico de un paquete de ondas de fotones llegó 1,47 ± 0,21 fs antes de lo que habría atravesado solo el vacío.
Tiempos de tunelización y superluminalidad: un tutorial, Raymond Y. Chiao http://arxiv.org/abs/quant-ph/9811019
Hay una descripción detallada del comportamiento de los sistemas cuánticos durante la tunelización. No implican que la partícula viaje más rápido que la luz. La "velocidad de grupo" no corresponde a la velocidad de nada en esa situación. Lo que sucede en cambio es que la función de onda sufre una interferencia dentro de la barrera de tal manera que decae exponencialmente y lo hace más lentamente que la luz. Los físicos que han afirmado lo contrario han malinterpretado los resultados experimentales; consulte los artículos de Herbert Winful sobre este tema.
http://sitemaker.umich.edu/herbert.winful/modest_contributions
y en particular
http://sitemaker.umich.edu/herbert.winful/files/physics_reports_review_article__2006_.pdf .
qmecanico
Emilio Pisanty