Una unión de túnel es un punto donde dos materiales magnéticos o eléctricamente conductores diferentes se encuentran, generalmente separados por una barrera delgada, con el propósito de pasar electrones de un material a otro. El aspecto definitorio de una unión de túnel es que, mecánicamente hablando, los electrones son demasiado débiles para penetrar la barrera de unión, pero lo hacen de todos modos a través de un principio llamado tunelización cuántica. Las uniones de túnel son útiles en muchos dispositivos electrónicos de acción rápida, como los chips de memoria flash, lo que aumenta la eficiencia de las células fotovoltaicas y la construcción de diodos extremadamente rápidos capaces de reaccionar a frecuencias más altas de lo que sería posible de otro modo.
El principio de los túneles cuánticos, en el que se basa el funcionamiento de todas las uniones de túneles, se basa en las teorías de la mecánica cuántica. Estas teorías afirman que aunque, matemáticamente, un electrón carece de la energía mecánica activa para atravesar la energía almacenada de una barrera determinada, las posibilidades de que un electrón dado rompa la barrera, aunque son extremadamente pequeñas, no son nulas. Como el paso de un electrón a través de una barrera obviamente superior no es normalmente matemática o mecánicamente posible, pero existe, los científicos han conjeturado que el electrón logra esto como resultado de una teoría de la mecánica cuántica llamada dualidad onda-partícula.
La teoría de la dualidad onda-partícula establece que todas las formas de materia, la electricidad en el caso de una unión de túnel, existen en dos estados separados simultáneamente. Primero, la materia existe como una partícula, como un electrón, que tiene una cierta cantidad de energía mecánica activa debido a su masa y velocidad. En segundo lugar, la materia existe como una forma de onda, que opera y vibra a una cierta frecuencia.
Como resultado de la dualidad onda-partícula, un electrón puede no tener la energía mecánica activa para atravesar una barrera; sin embargo, a una frecuencia suficientemente alta, puede tener suficiente energía de forma de onda para atravesar la barrera. A una frecuencia lo suficientemente alta, la energía de forma de onda de un electrón puede literalmente vibrar a través de la barrera de baja frecuencia en una acción conocida como túnel cuántico. Como resultado de las frecuencias muy altas involucradas con la tunelización cuántica, las acciones de los electrones involucrados ocurren extremadamente rápido, lo que permite que un dispositivo que usa una unión de túnel funcione extremadamente rápido. Esta velocidad se puede utilizar para acelerar el funcionamiento de equipos eléctricos o para detectar, identificar y reaccionar a formas de energía de movimiento muy rápido, como las ondas de luz.
En la práctica, las uniones de túneles se utilizan principalmente en electrónica. Proporcionan la velocidad de lectura y escritura hacia y desde la memoria flash, permiten la fabricación de osciladores extremadamente rápidos que aumentan la velocidad operativa de las computadoras y permiten la construcción de instrumentos científicos que pueden detectar y operar en entornos de alta radiación.
La unión del túnel también se puede utilizar para interactuar con la energía de la luz y está involucrada en una serie de proyectos de investigación relacionados con la luz. En la investigación de energías limpias, se está incorporando a células solares de alta eficiencia, donde sus altas frecuencias operativas le permiten capturar más energía que las células convencionales a partir de la misma cantidad de luz. También se está utilizando junto con superconductores para producir detectores similares a los que se utilizan en las cámaras digitales, con la excepción de que pueden ver rayos ultravioleta, rayos X y muchos otros tipos de energías y radiaciones de forma de onda.