٦٫٦ ظاهرة النفق الكمي

الصفحة الرئيسية ／ ٦. المجال الكمي (V5.05)

أولًا مشاهدات مخبرية وأسئلة حدسية صعبة

يُرى في المختبر ما يبدو كأن الجسيم «يعبر جدارًا». أمثلة ذلك:

• انحلال ألفا: بعض النوى تطلق جسيم ألفا α تلقائيًّا. بحسب الحدس الكلاسيكي يكون الحاجز الكولومي أعلى من طاقة الجسيم، ومع ذلك تحدث حالات الإفلات.
• المجهر النفقي الماسح: بين رأس معدني حاد والعينة فجوة فراغية بنطاق نانوي. عند اتساع الفجوة يهبط التيار هبوطًا شبه أسي، لكنه لا ينعدم.
• نفق جوزيفسون: موصلان فائقان يفصل بينهما عازل فائق الرقة يمرّ فيهما تيار مستمر عند جهد صفري، ومع جهد مستمر صغير يظهر إشارة متناوبة عند تردد جوزيفسون.
• ثنائي النفق الرنيني وبنى الحاجزين المزدوجين: منحنى التيار والجهد يُظهر مقاومة تفاضلية سالبة وقممًا حادة، ما يكشف نوافذ طاقية يكون العبور فيها أيسر بكثير.
• الانبعاث الميداني أو الانبعاث البارد: المجال القوي يرقّق حاجز السطح ويخفضه فتتحرر الإلكترونات إلى الفراغ.
• التماثل الضوئي: في الانعكاس الكلي المُحبط يتيح اقتران مجالي ضعيف بين منشورين متقاربين عبور الضوء عبر منطقة تعدّ اسميًّا محظورة.

هذه الوقائع تثير أسئلة مباشرة الحدس. كيف يحدث العبور مع طاقة تبدو غير كافية، ولماذا تكون الحساسية لسماكة الحاجز وارتفاعه شديدة إلى حد شبه أُسِّي، وما المقصود بزمن النفق ولمَ تبدو إزاحة المجموعة مشبعة عند زيادة السماكة فيُساء فهمها أحيانًا على أنها أسرع من الضوء، ولماذا تنشئ البنى الطبقية «مسارات سريعة» ضمن نوافذ طاقة ضيقة.

ثانيًا قراءة وفق نظرية خيوط الطاقة: الحاجز ليس جدارًا صلبًا بل حزمة توتر «تتنفّس»

تتسق هذه القراءة مع فكرة أن الحدود شديدة التوتر ليست سدًّا محكمًا دائمًا.

• صورة الحاجز الواقعية: في نظرية خيوط الطاقة لا يكون الحاجز سطحًا هندسيًّا كاملًا صلبًا، بل نطاقًا مرتفع التوتر ومرتفع الممانعة يعيد تشكيله على الدوام سيل من العمليات الميكروسكوبية. يحدث تبادل مستمر بين خيوط الطاقة وبحر الطاقة، وتظهر إعادة وصل لحظية تُفتح فيها الوصلات ثم تُغلق، وتطرق الإثارات غير المستقرة الحافة طرقًا متكررًا، ويولّد الحقل الخارجي والشوائب تذبذبات موضعية في تدرج التوتر. على مقربة يبدو النطاق كخلية نحل حيّة معظم الوقت عالية الممانعة، لكنه يفتح أحيانًا مسامًّا دقيقة قصيرة العمر منخفضة الممانعة.
• المسام اللحظية قناة العبور الفعلية: يحدث العبور حين تقترب الجسيمة وتُفتح في اتجاه حركتها سلسلة من المسام بعمق كافٍ وترابط متصل عبر السماكة. ما يحكم ذلك هو معدل الفتح في وحدة المساحة والزمن، وعمر المسام، واتساعها الزاوي أي انتقائيتها الاتجاهية، ودرجة اتصالها عبر السماكة كلها. إذا تزامنت هذه الشروط سلكت الجسيمة ممرًّا منخفض الممانعة. أكثر المحاولات تفشل، لكن الاحتمال ليس صفرًا. يشبه الأمر باب شرائح سريع الإغلاق يبقى غالبًا موصدًا ثم تصطف الشفرات لحظة على خط ضيق فينشأ ممر مؤقت نغتنمه.
• أصل الحساسية شبه الأُسِّيّة: زيادة السماكة تعني اشتراط اصطفاف على التوالي عبر العمق، فتتضاعف شروط التواقت طبقة بعد طبقة وتهبط فرصة النجاح هبوطًا يقارب الأسي. وزيادة الارتفاع أي التوتر تجعل المسام أندر وأقصر عمرًا وأضيق زاوية، فيهبط معدل الفتح الفعّال ويبدو الحاجز «أعلى».
• الرنين ممر موجي مؤقت يشبك المسام طريقًا سريعًا: تستطيع البنى الطبقية إنشاء تجويف مُحكَم الطور يعمل ممرًّا موجيًّا مؤقتًا داخل الحزمة. تُحتجز الجسيمة لحظة، ثم تنتظر فتح مقطع تالٍ في الاتجاه السليم، فتتعاظم الترابطية على نافذة طاقة ضيقة ويتكوّن عند عناصر الرنين تيار ذروته حادة. وبالمثل يجعل تثبيت الطور بين جانبي موصلين فائقين العبور أكثر استقرارًا فتظهر ظواهر جوزيفسون.
• زمن النفق انتظار البوابة ثم اجتياز الممر: يتكوّن الزمن من طورين. طور انتظار على جانب الدخول إلى أن تصطف سلسلة المسام المناسبة، وهو الذي يهيمن إحصائيًّا على التأخر. ثم طور عبور قصير حين يكتمل الاتصال فيسير العبور عند الحد الأعلى الذي يتيحه التوتر محليًّا ولا يطول مع السماكة طردًا. لذلك تُرصَد إزاحة مجموعة مشبعة لا تعني سرعة فوقية بل اجتماع طابور انتظار طويل ومرور خاطف.
• حساب الطاقة لا هدايا مجانية: بعد العبور تتوازن الطاقة بين الرصيد الابتدائي والاسترجاع الذي يوفّره التوتر على طول الممر وتبادلات دقيقة مع الوسط. ما يبدو عبورًا بطاقة غير كافية ليس سحرًا، فالحاجز ليس وجهًا صلدًا ثابتًا، بل يفتح أحيانًا ممرًّا منخفض الممانعة فتحدث حالات نادرة بلا صعود قمّة ساكنة.

ثالثًا من القراءة النظرية إلى الأجهزة والمشاهد التطبيقية

• انحلال ألفا: عنقود ألفا يطرق جدار النواة مرارًا، ويحدث الانبعاث حين تصطف للحظة سلسلة مسام مخترقة للسماكة كلها. لذلك تتأثر أنصاف الأعمار بالبنية أدق التأثر في النوى العالية السميكة.
• التيار في المجهر النفقي الماسح: فجوة الفراغ تمثل حزمة رقيقة، ويعكس التيار معدل ظهور سلاسل الترابط الحرجة. كل زيادة بمقدار أنغستروم كأنها إضافة مستوى شرائح آخر، فتبدو الاستجابة هبوطًا شبه أسي.
• نفق جوزيفسون: تثبيت الطور على الجانبين يثبت منطقة تجويف موجي ويزيد معدل العبور حتى عند جهد صفري، ومع جهد مستمر صغير تنزاح الزاوية الطورية فتظهر إشارة متناوبة.
• الانبعاث الميداني: المجال القوي يرقق الحزمة السطحية ويخفضها فيرتفع معدل الفتح والترابط وتخرج الإلكترونات إلى الفراغ.
• الانعكاس الكلي المُحبط: الفجوة النانوية بين منشورين تتيح ارتساءات مجالية قريبة تكافئ ترابطًا قصير المدى داخل الشق، فيعبر الضوء منطقة كانت تعدّ محظورة عبر ممر مؤقت.

رابعًا خلاصة في أربع جمل

• النفق الكمي ليس اقتحام جدار كامل، بل اغتنام لحظة اصطفاف سلسلة مسام لحظية داخل حزمة توتر تتنفس.
• الحساسية الأُسِّيّة للسماكة والارتفاع تنبع من احتمالات متسلسلة تتضاعف، بينما يصنع الرنين ممرًّا موجيًّا مؤقتًا يضخّم الترابط على نافذة ضيقة.
• زمن النفق طور انتظار ثم عبور، وإزاحة المجموعة المشبعة انعكاس لإحصاء الانتظار ولا تتجاوز حدود الانتشار المحلية.
• الطاقة محفوظة دائمًا، وما يُرى عبورًا بطاقة منخفضة إنما يحدث لأن «الجدار» يفتح برهة ولا يُحطّم.