Kuantum Tünelleme Nedir ?

Kuantum tünelleme, parçacığın bariyer boyunca olan kuantum mekaniğini ifade eder. Bu, Güneş gibi yıldızlar dizisinde meydana gelen nükleer birleşmeler gibi birçok fiziksel olayda önemli bir rol oynar. Tünel diyotu, kuantum bilgisayarı ve taramalı tünelleme mikroskobu gibi modern araçlarda önemli uygulamaları vardır. Fiziksel olay olarak etkisi ve kabul görülürlüğü 20. yüzyılın başlarında ve ortalarına doğru geldiği tahmin ediliyor.
Basit bir dille ifade etmem gerekirse bir parçacık hayal edin. Karşınızda bir duvar olsun ve bu parçacığı duvara atın normal koşullarda size sekip atış hızına göre geri gelecektir. Ancak kuantum tünelleme ve kuantum dünyasında işler böyle değil. Parçacık o duvarın arkasına geçecektir.

Tünelleme sıklıkla Heisenberg belirsizlik ilkesi ve maddenin dalga parçacık ikiliği kullanılarak açıklanır. Saf kuantum mekanik kavramlar olayın merkezindedir bu yüzden kuantum tüneli kuantum mekaniğinin yeni sonuçlarından biridir.
Kimyasal bir tepkimenin gerçekleşme oranını belirleyen en önemli etkenlerden ikisi çarpışma sıklığı ve tepkimeye giren maddelerin enerjisi. Tepkimeye giren maddelerin daha fazla enerjiye sahip olması tepkimenin gerçekleşmesi için aşılması gereken potansiyel enerji engelinin aşılmasını kolaylaştırıyor. Dolayısıyla ortalama enerjinin bir ölçüsü olan sıcaklık yükseldiği zaman tepkimeler daha hızlı gerçekleşiyor. Bunun yanı sıra çarpışma sıklığı arttıkça tepkimenin gerçekleşme oranı da doğal olarak artıyor. Bu sebeple tepkimenin gerçekleştiği ortamdaki madde miktarı da önem kazanıyor. Çünkü tepkimeye giren maddelerin ortamdaki miktarı arttıkça çarpışma sıklığı da artıyor.

Uzayda gözlemlenen karmaşık organik moleküllerin varlığını ise bu bilgilerle açıklamak zor. Uzaydaki madde yoğunluğu düşük olduğu için çarpışma sıklığı düşük. Bunun yanı sıra uzayın ortalama sıcaklığı da yaklaşık -270°C olduğu için, tepkimeye giren maddelerin potansiyel enerji engelini aşması çok zor. İngiltere’deki Leeds Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı uzayda karmaşık organik moleküllerin oluşabilmesini kuantum tünelleme ile açıkladı.

Kuantum mekaniğinin günlük hayattaki alışkanlıklarımızdan kaynaklanan beklentilerimize aykırı çok sayıda özelliğinden biri de, parçacıkların potansiyel enerji engellerini tünelleyerek geçebilmesine izin vermesi. Bir parçacığın bir potansiyel enerji engelini tünelleyerek geçme olasılığı, parçacığın toplam enerjisi ile bariyer enerjisi arasındaki fark arttıkça azalıyor. Leeds Üniversitesi araştırmacıları metoksi radikalinin metanol ve hidroksilden nasıl oluştuğunu incelerken, tepkimenin -210ºC’de oda sıcaklığından 50 kat daha hızlı gerçekleştiğini gözlemledi. Bu kadar düşük sıcaklıklarda tepkimeye giren maddelerin potansiyel enerji engelini aşması zor. Fakat kinetik enerjileri düşük olduğu için bir kez çarpıştıktan sonra birbirlerine yapışıyorlar. Tepkime daha sonra tünelleme ile gerçekleşiyor. Araştırmalar uzayda gerçekleşen her on çarpışmadan birinin tünelleme sayesinde tepkimeyle sonuçlandığını gösteriyor. Uzay ortamında tünelleme olmadan ancak her on milyon çarpışmadan birinin tepkimeyle sonuçlanabileceği belirtiliyor.

Öncelikle, kuantum mekaniğinin bize ne verdiğine bakalım. Mekanikte esas amacımız, cisimlerin kuvvet ve yer değiştirme altında nasıl davrandığını bulmak. Bunun için, klasik mekanikte Newton’un bulduğu kuvvet=kütle*ivme denklemini kullanmamız ve bildiğimiz kuvvetler için bu denklemi çözmemiz lazım. Cisme etkiyen kuvvetler için bu denklemi çözmek demek, kısaca bu cismin zaman içerisinde izleyeceği yolu bulmak demektir. Yani, bir topu belirli bir yükseklikten bıraktıktan sonra izleyeceği yolu, herhangi bir anda tam olarak nerede ve hangi hızda olacağını buluyoruz. Kuantum mekaniğinde ise, Schrödinger denklemini çözmemiz gerekiyor. Bu denklemin çözümü ise, klasik mekanikten farklı olarak, m kütleli bir cismin belirli bir noktada bulunma olasılığını veriyor. Diğer bir deyişle, kütlenin tam olarak nerede olduğunu bu denklemi çözerek tam olarak belirleyemiyoruz, sadece o noktadaki bulunma olasılığını hesaplayabiliyoruz. Bu teorinin bir eksikliği mi? Hayır, kesinlikle değil, doğanın işleyişinin bir sonucu. Klasik mekanik, eğer herhangi bir koltukta oturuyorsam, bize benim şu anda bir koltukta oturduğumu söyleyecektir; kuantum mekaniği ise büyük ihtimalle orada olduğumu belirtecektir. Kısacası, kuantum mekaniği ile pozisyonumuz için bir olasılık dağılımı elde ediyoruz. Tam olarak nerede olduğumuzu anlamamız için ise, bir ölçüm yapmamız gerekiyor.
Kuantum mekaniğinde ölçüm, sistemin üzerinde oldukça ilginç, geri dönüşü olmayan ve tahmin edilemeyen etkiler bırakıyor. Yuvarlanan bir topun pozisyonunu ölçtüğünüzde, zaten klasik denklemlerin size verdiği noktayı belirlemiş oluyorsunuz. Ama kuantum mekaniği gibi size bir olasılık dağılımı veren sistemde ise, yaptığınız ölçüm sistemi dramatik ve önceden kestirilemez bir şekilde değiştiriyor. Siz kuantum mekaniksel denklemleri çözüp oturduğum yer için olasılık dağılımını elde ettikten ve benim oturduğum yeri ölçtükten sonra artık biliyorsunuz ki o koltukta oturuyorum. Koltuk üzerinde oturmam gerçekleştiğine göre, kuantum denkleminin de aynı cevabı vermesi lazım. Bu da, olasılık dağılımının ancak bir nokta üzerinde (koltuğun konumu) toplanması, teknik deyişle o noktaya “çökmesi” ile gerçekleşiyor. Yani, sizin yaptığınız herhangi bir ölçüm, olasılık dağılımının bir noktaya çökmesine sebep oluyor.
Olasılık dalga fonksiyonunu ve onun çökmesini şöyle toparlamaya çalışalım: siz benim nerede olduğumu bilmek için Schrödinger denklemini çözüyorsunuz. Bu denklem size, misal, %10 ihtimalle koltukta oturduğumu, %15 ihtimalle masanın altında saklandığımı, %2 ihtimalle evin dışında olduğumu vs. veriyor. Bu olasılıklar, siz sisteme dokunmadığınızda, yani ‘Hey Batu, neredesin?!’ diye sormadığınız durumda mevcut. Ne zamanki siz bana nerede olduğumu soruyorsunuz, o zaman bütün bu olaslıklar, kendi içlerinde tek bir duruma toplanıyor ve siz de cevap olarak bunu elde ediyorsunuz (hatırlayanlarınız için, Schrödinger’in kedisi de bu örnek gibi, günlük hayatta kuantum mekaniğinin ne kadar sağduyuya aykırı sonuçlar verebileceğini gösteriyor).

PEKİ TÜNELLEMEYİ NASIL TETİKLEDİLER?
Araştırmacılar bizzat atomlardan kopan elektronları tünellemeye zorladılar. Bu amaçla kripton ve argon gazından yararlandılar ve bu gazları oluşturan atomları lazer ışınlarıyla ölçüm odasının içine püskürttüler.
Bu da atomları saran elektronların bağlarını zayıflattı ve onları kuantum tünellemeye yatkın hale getirdi. Ancak, tünelleme yönü tümüyle kontrol altındaydı. Elektronların atomlardan dışarıya doğru hangi yönde tünelleme yapacağı lazer ışınlarının elektrik alanıyla kontrol ediliyordu.
Üstelik lazer ışınları da atomlarla elektronların etrafında dönüyor ve bu sayede elektronları kendi çevresinde dönen bir enerji alanına hapsediyordu. Eğer kuantum tünelleme anında gerçekleşiyorsa elektronlar, komşu atomlara lazer ışınları bir dönüşünü tamamlamadan önce sıçrayacaktı.
Ancak, kuantum tünelleme sonlu bir hızda gerçekleşiyorsa elektronlar komşu atomlara sıçrayana kadar lazer ışınları en az kısmi tur atmış olacaktı. Ayrıca elektronlar sadece belirli bir yöne doğru, örneğin yukarıya doğru sıçrayacaktı. Hangi yöne sıçrayacakları ise lazer ışınlarının kontrolünde olacaktı.
Düşünün, kuantum ışınlama ile ışıktan hızlı iletişim kurmanın önündeki engel neydi? Karşı tarafa telefon açarak ya da mail atarak “az önce sana bir ileti gönderdim” demek. Bunu ışık hızında yaptığımız için ışıktan hızlı iletişim kuramıyorduk.
Ancak, teorik fizikte mümkün olan solucandelikleri gerçekten varsa ve bunları yapay olarak yaratabilirsek kendisi de bir tür solucandeliği bağlantısı olan kuantum dolanıklık yoluyla evrenin en uzak köşelerindeki parçacıkları bile ışıktan hızlı olarak etkileyebiliriz.
Sonra da kuantum dolanıklık bağlantısının diğer ucunda olan arkadaşımıza başka bir mikroskobik solucandeliği ile tünel açabilir ve kuantum dolanıklık hızıyla aynı hızda onu uyararak “az önce sana mesaj attım” diyebiliriz. İşte bu yöntem ışık hızını aşmadan ışıktan hızlı iletişim kurmamızı ve Mars’ı Dünya’ya ışıktan hızlı internetle bağlamamızı sağlar.
Kuantum tünelleme adı verilen fiziksel yöntem sayesinde, kızılötesi ısı atığı özel bir anten yardımı ile elektriğe dönüştürülebiliyor.

Yeni kavramı daha basit bir dille anlatmak gerekirse; Dünya’ya güneş tarafından sürekli olarak enerji ulaşıyor. Gezegenimize çarpan güneş ışınları, yeryüzü, denizler, okyanuslar ve atmosfer gibi çeşitli yüzeyler tarafından emiliyor ve süreç boyunca kızılötesi ışınım ile söz konusu yüzeyler ısınıyor. Saniyede milyonlarca gigawatt gücünde ısı enerjisi yani kızılötesi ışınım kullanılamadan boşa harcanıyor.
Sözü edilen miktar azımsanmayacak boyutlarda. Öyle ki, bu kızılötesi ışınımların elektrik enerjisine çevrilmesi başarıldığı takdirde dünyanın enerji ihtiyacını karşılamada yüzyılın buluşu olabileceği belirtiliyor.