БЦС-теорија

Будући да полумјер атомске језгре износи око 10^-15 м, а брзина алфа-честице која се у њему креће износи око 10⁶ м/с, излази да алфа-честица долази до вањске површине приближно 10⁶/10^-15 = 10²¹ пута у секунди, односно да она побјегне из језгре након 10²¹ покушаја. То је у ствари бит тунелирања или тунелског учинка.

БЦС-теорија или Бардеен-Цоопер-Сцхриефферова теорија је прва микроскопска теорија суправодљивости (1957.). Полази од претпоставке да на врло ниским температурама у кристалној решетки суправодича привлачно међудјеловање електрон–решетка–електрон надјачава одбојну електричну силу међу електронима, тј. да електрони при проласку кроз решетку привлаче њезине ионе, што резултира повећањем густоће позитивног набоја у том подручју и, док се решетка не врати у равнотежно стање, привлачи друге електроне. У таквим увјетима електрони којима су спинови и количине гибање супротни гибају се у паровима (Цооперови парови), а сваки пар електрона на међусобној удаљености од приближно 100 нм гиба се кроз кристалну решетку без губитка енергије и може тунелирати кроз изолаторску баријеру. Порастом температуре атоми решетке све јаче титрају, изнад критичне температуре раздвајају електронске парове, електрони се више не могу гибати без губитака и појављује се електрични отпор. За развој БЦС-теорије Јохн Бардеен, Леон Неил Цоопер и Јохн Роберт Сцхриеффер добили су Нобелову награду за физику 1972.

Тунелирање

Тунелирање, тунелски ефект или тунелски учинак је квантномеханичка појава при којој постоји вјеројатност да елементарна честица свлада препреку (потенцијалну баријеру) када то закони класичне физике не допуштају. Примјерице, при налету честице на средиште одбојне силе којој је потенцијална енергија већа од кинетичке енергије честице, класично је могуће само одбијање честице. Ипак, захваљујући валним својствима која квантна механика придјељује елементарним честицама, вална функција честице не ишчезава ни у самој баријери, ни иза ње. Стога постоји одређена вјеројатност (дана квадратом модула валне функције) да се честица нађе и у класично забрањеним подручјима простора. Та вјеројатност овиси о висини и ширини баријере, а покуси потврђују да је, при налету мноштва честица, број оних које прођу баријеру пропорционалан квантно-механички израчунаној вјеројатности.

Тунелирањем су протумачене многобројне појаве у нуклеарној и атомској физици, попут алфа распада атомских језгри (Георге Гамоw, 1928.), спонтане нуклеарне фисије, емисије електрона из металних површина у суправодичима. У посљедњем случају ријеч је о посебном типу тунелирања везаном уз енергијски процијеп и промијењену густоћу стања за нормално водљиве квазичестице у суправодичу. Струја електрона који пролазе тунелирањем кроз потенцијалну баријеру нашла је примјену у претражном микроскопу с тунелирањем, којом се испитује електронска структура површина водљивих узорака.

Скенирајући тунелски микроскоп

Скенирајући тунелски микроскоп (СТМ, кратица од енгл. Сцаннинг Туннелинг Мицросцопе) је микроскоп којим се проматрају површине метала и других електрички водљивих материјала прецизношћу на разини атома. Најважнији је дио претражног микроскопа с тунелирањем оштри врх од волфрама, платине, иридија, угљикове наноцијеви или неког другог водљивога материјала који у идеалном случају чини само један или неколико атома. Када је врх близу површине (нанометар и мање), у вакууму између врха и површине долази до тунелирања електрона. Како се врх помиче дуж површине, због површинских неправилности и нехомогености на разини атома, удаљеност и електрична струја између врха и површине се мијењају, а промјена јакости струје може се тумачити као слика површине. За откриће претражног микроскопа с тунелирањем, Герд Бинниг и Хеинрицх Рохрер добили су Нобелову награду за физику 1986.