Penerowongan kuantum

Dalam mekanika kuantum, penerowongan kuantum merupakan salah satu fenomena berskala nano dimana sebuah partikel melanggar asas mekanika klasik dengan menembus melanggar perintang potensial maupun impedansi yang lebih tinggi dari energi kinetisnya partikel.^[1] Penghalang, bila dipandang dari segi penerowongan kuantum, merupakan sebentuk analog aras energi ke sebuah "bukit" atau kemiringan dalam mekanika klasik, yang secara sederhana menunjukkan bahwa mustahil membuat terusan yang melalui atau melintasi sebuah penghalang tanpa keberadaan energi kinetik yang cukup.

Pemantulan dan penerowongan sebuah paket gelombang elektron yang diarahkan ke sebuah perintang potensial. Bintik terang yang bergerak ke kiri adalah bagian dari paket gelombang yang terpantul. Sebuah bintik yang sangat buram bisa dilihat di sisi kanannya penghalang. Ini merupakan pecahan kecilnya paket gelombang yang menembus penghalang terlarang klasik. Perhatikan pula beberapa rumbai interferens di antara gelombang yang datang dengan yang terpantul.

Pada skala kuantum, berbagai objek menunjukkan perilaku bak-gelombang; dalam teori kuantum, kuanta yang geraknya berlawanan dengan sebuah ”bukit” energi potensial bisa dideskripsikan oleh fungsi gelombang mereka, yang mewakili amplitudo probabilitasnya penemuan partikel itu di lokasi tertentu pada salah satu sisi “bukit”. Jika fungsi ini menjelaskan partikel berada di salah satu sisi “bukit”, maka terdapat kemungkinan partikel itu telah bergerak “melalui”, bukannya “melintasi” bukit, dan dengan begitu “membentuk terowongan”.

Sejarah

Pada 1928, George Gamow membuat teori peluruhan alfanya sebuah inti atom melalui penerowongan. Menurut teori itu, partikel terkurung di inti atom karena dibutuhkan energi yang tinggi untuk melarikan diri dari potensial yang sangat kuat. Di bawah sistem ini, pemisahan inti atom menghabiskan energi dalam jumlah yang amat banyak. Namun dalam mekanika kuantum, ada kemungkinan bahwa partikel bisa menembus potensial dan melarikan diri. Gamow membuat sebuah potensial model untuk inti atom dan menjelaskan hubungan antara waktu paruhnya partikel dengan energi emisi/pancaran.

Peluruhan alfa melalui penerowongan juga diteliti oleh Ronald Gurney dan Edward Condon. Tak lama kemudian, kedua kelompok itu meneliti apakah partikel juga bisa menembus “ke dalam” inti atom.

Setelah menghadiri sebuah seminarnya Gamow, Max Born mengakui adanya penerowongan mekanika kuantum. Ia menyadari bahwa fenomena penerowongan tidak hanya berlaku di fisika nuklir, tapi merupakan salah satu akibat umum dari mekanikan kuantum yang diterapkan ke berbagai sistem. Saat ini teori penerowongan bahkan diaplikasikan ke kosmologinya alam semesta.^[2]

Kemudian penerowongan kuantum diterapkan ke berbagai situasi lain, seperti pancaran medannya elektron, dan mungkin yang paling penting adalah fisika semikonduktor dan superkonduktivitas. Fenomena seperti pancaran medan, yang penting bagi memori flash, dijelaskan oleh penorowongan kuantum. Penerowongan merupakan salah satu sumbernya kebocoran arus yang utama dalam elektronika VLSI, dan mengakibatkan habisnya tenaga serta efek pemanasan yang mengganggu teknologi kecepatan tinggi dan bergerak (mobile).

Penerapan utama yang lain adalah dalam mikroskop penerowongan elektron yang digunakan untuk mengamati berbagai objek yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mikroskop konvensional. Mikroskop ini mampu mengatasi sejumlah keterbatasan mikroskop konvensional (batas panjang gelombang, aberasi optik) dengan memindai permukaan sebuah objek dengan penerowongan elektron.

Penerowongan kuantum juga menjadi mekanisme yang digunakan enzim untuk meningkatkan laju reaksi. Sudah terbukti bahwa enzim menggunakan penerowongan untuk menghantarkan elektron dan nukleus seperti hidrogen dan deuterium. Dalam enzim glukosa oksidase, inti oksigen mampu menciptakan terowongan di dalam sejumlah kondisi fisiologis.^[3]

Dalam kebudayaan populer

Dalam The Simpsons episode “Future-Drama”, Homer dan Bart berkendara melalui sebuah gunung, dan gunung itu bernama “Quantum tunnel.”
Dalam film seri fiksi ilmiah Sliders, para karakter utama melakukan perjalanan ke dunia paralel dengan mempergunakan “penerowongan kuantum” melalui sebuah lubang cacing.
Dalam video game Supreme Commander, human menggunakan penerowongan kuantum sebagai alat teleportasi untuk mengkolonisasi berbagai planet.
Dalam novel Timeline karya Michael Crichton, para karakter menggunakan penerowongan kuantum sebagai alat untuk melakukan uji coba perjalanan waktu.

Rujukan

Catatan

^ Razavy, Mohsen. (2003)., p1
^ A. Vilenkin (2003)
^ Quantum catalysis in enzymes: beyond the transition state theory paradigm

Buku

Razavy, Mohsen (2003). Quantum Theory of Tunneling. World Scientific. ISBN 981-238-019-1.
Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.
Liboff, Richard L. (2002). Introductory Quantum Mechanics. Addison-Wesley. ISBN 0-8053-8714-5.
Vilenkin, Alexander (2003). "Particle creation in a tunneling universe". Phys.Rev. D. 68: 023520. doi:10.1103/PhysRevD.68.023520.

[razavy_intro-1] Razavy, Mohsen. (2003)., p1

[Vilenkin-2] A. Vilenkin (2003)

[3] Quantum catalysis in enzymes: beyond the transition state theory paradigm

[1]

[2]

[3]