Une jonction tunnel est un point où se rencontrent deux matériaux électriquement conducteurs ou magnétiques différents, généralement séparés par une fine barrière, dans le but de faire passer des électrons d’un matériau à l’autre. L’aspect déterminant d’une jonction tunnel est que, d’un point de vue mécanique, les électrons sont trop faibles pour pénétrer la barrière de jonction, mais le font quand même par le biais d’un principe appelé effet tunnel quantique. Les jonctions tunnel sont utiles dans de nombreux dispositifs électroniques à action rapide, tels que les puces de mémoire flash, augmentant l’efficacité des cellules photovoltaïques et la construction de diodes extrêmement rapides capables de réagir à des fréquences plus élevées que ce qui serait autrement possible.
Le principe de l’effet tunnel quantique, sur lequel repose le fonctionnement de toutes les jonctions tunnel, est établi sur les théories de la mécanique quantique. Ces théories affirment que même si, mathématiquement, un électron manque d’énergie mécanique active pour traverser l’énergie stockée d’une barrière donnée, les chances qu’un électron donné franchisse la barrière, bien qu’extrêmement petites, ne sont pas nulles. Comme le passage d’un électron à travers une barrière manifestement supérieure n’est normalement pas mathématiquement ou mécaniquement possible, mais existe néanmoins, les scientifiques ont supposé que l’électron accomplit cela à la suite d’une théorie de la mécanique quantique appelée dualité onde-particule.
La théorie de la dualité onde-particule stipule que toutes les formes de matière, l’électricité dans le cas d’une jonction tunnel, existent simultanément dans deux états distincts. Premièrement, la matière existe sous forme de particule, comme un électron, qui possède une certaine quantité d’énergie mécanique active en raison de sa masse et de sa vitesse. Deuxièmement, la matière existe sous forme d’onde, qui fonctionne et vibre à une certaine fréquence.
En raison de la dualité onde-particule, un électron peut ne pas avoir l’énergie mécanique active pour traverser une barrière ; cependant, à une fréquence suffisamment élevée, il peut avoir suffisamment d’énergie de forme d’onde pour traverser la barrière. À une fréquence suffisamment élevée, l’énergie de la forme d’onde d’un électron peut littéralement vibrer à travers la barrière des basses fréquences dans une action appelée effet tunnel quantique. En raison des très hautes fréquences impliquées dans l’effet tunnel quantique, les actions des électrons impliqués se produisent extrêmement rapidement, ce qui permet à un dispositif utilisant une jonction tunnel de fonctionner extrêmement rapidement. Cette vitesse peut ensuite être utilisée soit pour accélérer le fonctionnement des équipements électriques, soit pour détecter, identifier et réagir à des formes d’énergie très rapides telles que les ondes lumineuses.
En pratique, les jonctions tunnel sont principalement utilisées en électronique. Ils fournissent la vitesse de lecture et d’écriture vers et depuis la mémoire flash, permettent la fabrication d’oscillateurs extrêmement rapides qui augmentent la vitesse de fonctionnement des ordinateurs et permettent la construction d’instruments scientifiques capables de détecter et de fonctionner dans des environnements à rayonnement élevé.
La jonction tunnel peut également être utilisée pour interagir avec l’énergie lumineuse et est impliquée dans un certain nombre de projets de recherche liés à la lumière. Dans la recherche sur l’énergie propre, il est incorporé dans des cellules solaires à haut rendement, où ses fréquences de fonctionnement élevées lui permettent de capter plus d’énergie que les cellules conventionnelles à partir de la même quantité de lumière. Il est également utilisé en conjonction avec des supraconducteurs pour produire des détecteurs similaires à ceux utilisés dans les appareils photo numériques, à l’exception du fait qu’ils peuvent voir les ultraviolets, les rayons X et de nombreux autres types d’énergies et de rayonnements de forme d’onde.