O que é o tunelamento quântico? A resposta curta é que na física clássica, veremos através de um exemplo; digamos que você tenha uma bola na parte de baixo de uma colina, caso você não dê um empurrão forte o suficiente para que a bola chegue ao topo da colina, a bola ficará sempre presa na parte de baixo. Falando de maneira física, se a bola não tem energia cinética suficiente para superar a energia potencial da colina, a bola nunca chegará ao topo.
Mas claro, na mecânica quântica as coisas não são assim tão simples. Se substituirmos a bola por uma partícula quântica como o elétron, e a colina como um tipo de barreira potencial, mesmo que o elétron não tenha energia cinética suficiente para atravessar essa barreira, existe a probabilidade do elétron atravessar a barreira. Isto é chamado tunelamento quântico e vamos ver como funciona.
Agora, vamos a versão mais longa. Uma das grandes diferenças entre a mecânica quântica e clássica é que a física quântica é probabilística. Diferentemente da bola, não podemos identificar exatamente onde o elétron está. Isto vem do principio da incerteza de Heisenberg que diz que não podemos saber com exatidão a posição e momento de uma partícula. Não por conta dos equipamentos de medida não serem precisos ou lentos, é algo fundamental sobre as leis da natureza. Entretanto, mesmo sem saber onde exatamente o elétron está, podemos ter uma alta probabilidade dele estar em algum lugar. Podemos modelar essas probabilidades com uma função de onda.
Quanto maior a amplitude da densidade de probabilidade em uma região, maior será as chances de encontrar o elétron. Portanto, ao invés de imaginar uma partícula viajando até a barreira, imagine uma onda viajando até a barreira. Quando essa onda colidir com a barreira, por causa do elétron não ter energia cinética suficiente para passar pela barreira, ela se reflete. Mas existe uma propriedades das ondas, assim como o elétron, a luz também pode ser uma onda. Imaginando o que acontece quando apontamos uma lanterna ligada em um vidro, percebemos que o feixe de luz atravessa o pedaço de vidro mas em seu limite (no contorno do vidro) onde a luz encontra-se com o ar, o feixe de luz irá se dobrar ou refratar. Você já percebeu esse efeito antes ao colocar um lápis dentro de um copo com água. Essa ilusão de ótica aparece devido ao dobramento da luz no contorno de dois meios diferentes. Além dessa refração, a luz também pode sofrer reflexão, e essa quantidade de reflexão e refração depende do ângulo em que a luz chega no contorno. Para todo material existe um certo ângulo onde a luz pode ser 100% refletida e este ângulo é chamado reflexão interna total. Talvez quando você ouviu que quando isso acontece, 100% da luz a luz incidente é totalmente transferida para a luz refletida, mas isso não é verdade.
Lembra de quando falamos que a luz é uma onda? Pois lhes digo mais, a luz é uma onda eletromagnética. Isso significa que a maneira que a luz comporta-se em diferentes ocasiões podem ser previstas e modeladas resolvendo as famosas Equações de Maxwell. Quando utilizamos essas equações para o caso da reflexão interna total, recebemos algo bem interessante (e uma expressão bem grande também). Ao invés de ter um caimento abrupto onde a luz atinge o contorno, aparece uma decaimento exponencial chamada de onda evanescente. Essas ondas decaem rapidamente, então não podemos de fato ver ou detectar mas se pusermos outro material suficientemente próximo (sem encostar) de tal maneira que a onda evanescente não chegue a zero, assim podendo seguir um caminho, isto é chamado de reflexão total interna frustrada. Existem muitos vídeos no Youtube demonstrando através de experimento.
Essa onda pode até ser insignificante mas é a razão pela qual o tunelamento quântico é possível. Portanto quando um elétron, agindo como onda, atinge uma barreira fina o suficiente para que a onda evanescente formada no contorno consiga chegar no outro lado da barreira, então teremos parte da onda incidente atravessando a barreira. Então essa pequena onda atravessando a barreira, teremos uma pequena probabilidade, do elétron tenha atravessado a barreira, diferente de zero. Mesmo essa probabilidade sendo pequena, existem muitas e muitas partículas quânticas envolvidas em qualquer processo físico que o efeito do tunelamento quântico é grande o suficiente que chega a ser essencial para fusões nucleares em estrelas, mutações espontâneas no DNA, dentre outras aplicações.
Referências
• GRIFFITHS, D. J. Introduction to quantum mechanics. 2.e d., Prentice-Hall, 2005.
• Robert Eisberg, Robert Resnick,.Quantum Physics of Atom, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles, 2nd edition, John Wiley & Sons, 1985
• HEWITT, P. G., Conceptual Physics. 12 ed. San Francisco: Pearson Education, Inc., 2015.
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