Ein Tunnelübergang ist ein Punkt, an dem sich zwei verschiedene elektrisch leitfähige oder magnetische Materialien treffen, normalerweise durch eine dünne Barriere getrennt, um Elektronen von einem Material zum anderen zu übertragen. Der entscheidende Aspekt eines Tunnelübergangs ist, dass die Elektronen mechanisch zu schwach sind, um die Übergangsbarriere zu durchdringen, dies aber trotzdem tun, und zwar durch ein Prinzip namens Quantentunneln. Tunnelübergänge sind in vielen schnell reagierenden elektronischen Geräten wie Flash-Speicherchips nützlich, erhöhen die Effizienz von Photovoltaikzellen und die Konstruktion extrem schneller Dioden, die bei höheren Frequenzen reagieren können, als es sonst möglich wäre.
Das Prinzip des Quantentunnelns, auf dem die Funktionsweise aller Tunnelübergänge beruht, ist auf Theorien der Quantenmechanik begründet. Diese Theorien besagen, dass, obwohl einem Elektron mathematisch gesehen die aktive mechanische Energie fehlt, um die gespeicherte Energie einer bestimmten Barriere zu passieren, die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Elektron die Barriere durchbricht, obwohl sie extrem klein ist, nicht Null ist. Da der Durchgang eines Elektrons durch eine offensichtlich überlegene Barriere normalerweise weder mathematisch noch mechanisch möglich ist, aber dennoch existiert, haben Wissenschaftler vermutet, dass das Elektron dies als Ergebnis einer quantenmechanischen Theorie namens Welle-Teilchen-Dualität bewerkstelligt.
Die Wellen-Teilchen-Dualitätstheorie besagt, dass alle Formen von Materie, im Fall eines Tunnelübergangs Elektrizität, gleichzeitig in zwei getrennten Zuständen existieren. Erstens existiert die Materie als Teilchen, beispielsweise als Elektron, das aufgrund seiner Masse und Geschwindigkeit eine gewisse aktive mechanische Energie besitzt. Zweitens existiert die Materie als Wellenform, die mit einer bestimmten Frequenz arbeitet und schwingt.
Als Folge des Welle-Teilchen-Dualismus hat ein Elektron möglicherweise nicht die aktive mechanische Energie, um eine Barriere zu passieren; bei einer ausreichend hohen Frequenz kann es jedoch genügend Wellenformenergie aufweisen, um die Barriere zu passieren. Bei einer ausreichend hohen Frequenz kann die Wellenform eines Elektrons buchstäblich durch die Niederfrequenzbarriere vibrieren, was als Quantentunneln bezeichnet wird. Aufgrund der sehr hohen Frequenzen beim Quantentunneln erfolgen die Aktionen der beteiligten Elektronen extrem schnell, was es einem Gerät ermöglicht, das einen Tunnelübergang verwendet, extrem schnell zu arbeiten. Diese Geschwindigkeit kann dann entweder verwendet werden, um den Betrieb elektrischer Geräte zu beschleunigen oder um sehr schnell bewegte Energieformen wie Lichtwellen zu erkennen, zu identifizieren und darauf zu reagieren.
In der Praxis werden Tunnelübergänge vor allem in der Elektronik eingesetzt. Sie liefern die Geschwindigkeit zum Lesen und Schreiben in und aus Flash-Speichern, ermöglichen die Herstellung extrem schneller Oszillatoren, die die Betriebsgeschwindigkeit von Computern erhöhen, und ermöglichen den Bau wissenschaftlicher Instrumente, die in Umgebungen mit hoher Strahlung erkennen und arbeiten können.
Der Tunnelübergang kann auch zur Interaktion mit Lichtenergie genutzt werden und ist an einer Reihe von lichtbezogenen Forschungsprojekten beteiligt. In der sauberen Energieforschung wird es in hocheffiziente Solarzellen eingebaut, wo es aufgrund seiner hohen Betriebsfrequenzen mehr Energie als herkömmliche Zellen aus der gleichen Lichtmenge gewinnen kann. Es wird auch in Verbindung mit Supraleitern verwendet, um Detektoren herzustellen, die denen ähnlich sind, die in Digitalkameras verwendet werden, mit der Ausnahme, dass sie Ultraviolett, Röntgenstrahlen und viele andere Arten von Wellenformen und Strahlungen sehen können.