6.6 Tunneling quantistico

Indice ／ Capitolo 6: Dominio quantistico

I. Fenomeni osservabili e difficoltà intuitive per la teoria contemporanea

In laboratorio, alcuni effetti sembrano veri e propri “passaggi attraverso un muro”:

• Decadimento alfa: certi nuclei emettono spontaneamente una particella alfa (α). Intuitivamente la barriera coulombiana appare troppo alta per l’energia disponibile, eppure avvengono eventi di fuga.
• Microscopio a effetto tunnel (STM): tra una punta metallica molto affilata e il campione resta un vuoto nanometrico. La corrente diminuisce quasi in modo esponenziale con l’aumentare della distanza, senza però annullarsi.
• Effetto Josephson: due superconduttori separati da un isolante ultrafine sostengono corrente continua a tensione nulla; con una piccola tensione continua compare un segnale alternato alla frequenza di Josephson.
• Diodi a risonanza e strutture a doppia barriera: la curva corrente–tensione mostra resistenza differenziale negativa e picchi stretti, segno di finestre energetiche che favoriscono il passaggio.
• Emissione per campo (emissione “fredda”): un campo intenso assottiglia e abbassa la barriera di superficie, permettendo agli elettroni di uscire nel vuoto.
• Analogia ottica: nella riflessione totale frustrata, due prismi molto vicini accoppiano un campo evanescente attraverso la regione “vietata”.

Questi casi sollevano domande intuitive: come passare con energia apparentemente insufficiente? Perché la probabilità di attraversamento reagisce in modo quasi esponenziale a spessore e altezza della barriera? Che cosa misurano i “tempi di tunnel” e perché compaiono ritardi di gruppo saturi che qualcuno interpreta come superluminali? Infine, perché le strutture a strati aprono “corsie veloci” risonanti a energie selettive?

II. Interpretazione secondo la Teoria dei Fili di Energia (EFT): la barriera non è rigida, è una banda di tensione che “respira”

(Coerente con la Sezione 4.7 sui “pori” dei buchi neri: un confine ad alta tensione non è un sigillo permanente.)

1. Che cos’è davvero la barriera: dinamica, granulare, a banda
   Nella Teoria dei Fili di Energia (EFT) la “barriera” non è una superficie geometrica perfetta e immobile. È una fascia di tensione (Tension) e impedenza elevate, rimodellata di continuo da microprocessi:
   • scambi tra fili di energia (Energy Threads) e mare di energia (Energy Sea);
   • micro-riconnessioni effimere che aprono e richiudono la connettività;
   • urti incessanti di eccitazioni instabili al bordo;
   • fluttuazioni locali del gradiente di tensione (Tension Gradient) dovute a campi esterni e impurità.
     Da vicino la banda “respira” come un favo vivo: per lo più ad alta impedenza, ma con micro-pori di bassa impedenza che si aprono in modo sporadico e di breve durata.
2. Pori momentanei: i veri canali del tunnel
   L’attraversamento avviene quando, nella direzione di avanzamento della particella, si apre una catena di micro-pori sufficientemente profonda e continua. Parametri chiave:
   • tasso di apertura per unità di superficie e di tempo;
   • durata della singola apertura;
   • ampiezza angolare che definisce la selettività direzionale;
   • connettività in profondità: allineamento delle aperture lungo tutto lo spessore (più la banda è spessa, più l’allineamento richiesto è severo).
     Quando questi fattori si combinano, la particella percorre un corridoio a bassa impedenza. La maggior parte dei tentativi fallisce; una piccola frazione riesce.

Analogia: immagina un portone a lamelle che si muovono molto in fretta. Quasi sempre resta chiuso, ma per un istante le lamelle si allineano lungo una linea stretta e compare un varco. Non si “attraversa il solido”; si coglie l’istante in cui la fessura si allinea.

3. Perché nasce una sensibilità quasi esponenziale

• Maggiore spessore: servono allineamenti in serie dei pori lungo la profondità. Ogni strato aggiuntivo moltiplica la condizione di coincidenza → la probabilità di successo cala approssimativamente in modo esponenziale.
• Maggiore altezza (tensione più alta): i pori diventano più rari, più brevi e più stretti in angolo → il tasso effettivo di apertura scende, la barriera appare “più alta”.

4. Risonanza: un “guida d’onda” transitoria che trasforma i pori in autostrada
   Strutture multistrato possono ospitare una cavità con fase ben accordata, equivalente a un guida d’onda transitoria all’interno della banda:
   • la particella viene prima intrappolata brevemente nella cavità;
   • poi attende che il tratto successivo di pori si apra nella direzione giusta;
   • la connettività complessiva si amplifica entro una finestra energetica stretta.
     Così emergono i picchi netti nei dispositivi a risonanza; in modo analogo, l’aggancio di fase tra superconduttori stabilizza la connettività e sostiene l’effetto Josephson.
5. Tempo di tunnel: distinguere tra “attendere il varco” e “percorrere il corridoio”

• Tempo di attesa: ritardo sul lato di ingresso mentre si forma una catena di pori correttamente allineata; domina la statistica dei ritardi.
• Tempo di transito: quando l’allineamento c’è, l’attraversamento procede al limite locale consentito dalla tensione ed è in genere rapido.
  All’aumentare dello spessore cresce soprattutto l’attesa, mentre il transito non scala linearmente; molte misure mostrano quindi ritardi di gruppo saturi. Non è moto superluminale, ma la combinazione di coda lunga e passaggio veloce.

6. Bilancio energetico: nulla “gratis”
   Dopo l’attraversamento, l’energia riflette il budget iniziale, un possibile feedback di tensione lungo il corridoio e piccoli scambi con l’ambiente. Il “passaggio con energia insufficiente” non è magia: la barriera non è una faccia rigida; le sue micro-aperture permettono eventi rari su un percorso a bassa impedenza senza dover scalare un picco statico.

III. Dispositivi e scenari sperimentali

• Decadimento alfa: un cluster alfa urta ripetutamente il confine nucleare. L’emissione avviene quando, per un attimo, si allinea una catena di pori che attraversa l’intero spessore. Bandi nucleari alte e spesse rendono l’emivita estremamente sensibile alla struttura.
• Corrente nello STM: il vuoto tra punta e campione costituisce una banda sottile. La corrente segue il tasso globale di catene di connettività critiche. Ogni Ångström aggiuntivo equivale ad aggiungere uno stadio di lamelle, da cui il calo quasi esponenziale.
• Effetto Josephson: l’aggancio di fase su entrambi i lati stabilizza una zona cavità–guida e aumenta il flusso stazionario anche a tensione nulla. Con una piccola tensione continua la fase relativa deriva, generando un segnale alternato.
• Emissione per campo: un campo forte assottiglia e abbassa la banda superficiale, il che aumenta tasso di apertura e connettività; gli elettroni “escono” verso il vuoto.
• Riflessione totale frustrata: l’interstizio nanometrico tra prismi offre appigli di campo vicino, equivalenti a connettività di corto raggio nella fenditura; la luce attraversa la zona nominalmente vietata tramite un corridoio transitorio.

IV. In sintesi – quattro frasi

• Il tunneling non è passare in un muro perfetto: è agganciare una catena di pori istantanei dentro una banda di tensione che respira.
• La sensibilità esponenziale a spessore/altezza nasce da probabilità moltiplicative in allineamenti in serie; la risonanza crea un guida d’onda transitoria che amplifica la connettività in una finestra stretta.
• Il tempo di tunnel si divide tra attesa e transito: i ritardi saturi riflettono l’attesa, senza violare i limiti locali di propagazione.
• L’energia si conserva: i passaggi “a bassa energia” esistono perché il “muro” si apre per brevi istanti, non perché viene sfondato.