Una giunzione a tunnel è un punto in cui si incontrano due diversi materiali elettricamente conduttivi o magnetici, solitamente separati da una sottile barriera, allo scopo di far passare gli elettroni da un materiale all’altro. L’aspetto che definisce una giunzione a tunnel è che, parlando meccanicamente, gli elettroni sono troppo deboli per penetrare la barriera di giunzione, ma lo fanno comunque attraverso un principio chiamato tunneling quantistico. Le giunzioni a tunnel sono utili in molti dispositivi elettronici ad azione rapida, come i chip di memoria flash, aumentando l’efficienza delle celle fotovoltaiche e la costruzione di diodi estremamente veloci in grado di reagire a frequenze più elevate di quanto sarebbe altrimenti possibile.
Il principio del tunneling quantistico, su cui si basa il funzionamento di tutte le giunzioni tunnel, è stabilito sulle teorie della meccanica quantistica. Queste teorie affermano che anche se, matematicamente, a un elettrone manca l’energia meccanica attiva per passare attraverso l’energia immagazzinata di una data barriera, le possibilità che un dato elettrone violi la barriera, sebbene estremamente piccole, non sono zero. Poiché il passaggio di un elettrone attraverso una barriera ovviamente superiore non è normalmente matematicamente o meccanicamente possibile, ma esiste comunque, gli scienziati hanno ipotizzato che l’elettrone ottenga ciò come risultato di una teoria della meccanica quantistica chiamata dualità onda-particella.
La teoria della dualità onda-particella afferma che tutte le forme di materia, l’elettricità nel caso di una giunzione a tunnel, esistono simultaneamente in due stati separati. Innanzitutto, la materia esiste come una particella, come un elettrone, che ha una certa quantità di energia meccanica attiva a causa della sua massa e velocità. In secondo luogo, la materia esiste come forma d’onda, che opera e vibra a una certa frequenza.
Come risultato della dualità onda-particella, un elettrone può non avere l’energia meccanica attiva per passare attraverso una barriera; tuttavia, a una frequenza sufficientemente alta, potrebbe avere energia della forma d’onda sufficiente per passare attraverso la barriera. A una frequenza sufficientemente elevata, l’energia della forma d’onda di un elettrone può letteralmente vibrare attraverso la barriera a bassa frequenza in un’azione denominata tunneling quantistico. A causa delle frequenze molto elevate coinvolte nel tunneling quantistico, le azioni degli elettroni coinvolti avvengono in modo estremamente rapido, il che consente a un dispositivo che utilizza una giunzione tunnel di operare in modo estremamente rapido. Questa velocità può quindi essere utilizzata per accelerare il funzionamento delle apparecchiature elettriche o per rilevare, identificare e reagire a forme di energia in rapido movimento come le onde luminose.
In pratica, le giunzioni a tunnel vengono utilizzate principalmente nell’elettronica. Forniscono la velocità di lettura e scrittura da e verso la memoria flash, consentono la produzione di oscillatori estremamente veloci che aumentano la velocità operativa dei computer e consentono la costruzione di strumenti scientifici in grado di rilevare e operare in ambienti ad alta radiazione.
La giunzione del tunnel può essere utilizzata anche per interagire con l’energia luminosa ed è coinvolta in numerosi progetti di ricerca relativi alla luce. Nella ricerca sull’energia pulita, viene incorporato in celle solari ad alta efficienza, dove le sue alte frequenze operative gli consentono di catturare più energia rispetto alle celle convenzionali dalla stessa quantità di luce. Viene anche utilizzato in combinazione con i superconduttori per produrre rivelatori simili a quelli utilizzati nelle fotocamere digitali, con l’eccezione che possono vedere l’ultravioletto, i raggi X e molti altri tipi di energie e radiazioni delle forme d’onda.