Visualizando tunelamento quântico através da geração de microplasmas

Abstract

O tunelamento quântico (ou efeito túnel)é um fenômeno que proporciona inúmeras aplicações tecnológicas através da aplicação direta dos conceitos da mecânica quântica. De acordo com este fenômeno, elétrons podem ser extraídos de superfícies metálicas sob as quais há um enorme gradiente de potencial, ou seja, um intenso campo elétrico local. Através de um dispositivo elétrico conhecido como microcatodo oco, duas camadas de metal intercaladas por uma fina camada de mica (com espessura d = 3 µm), perfurada com furo de diâmetro D = 200 µm e na pressão de 20 Torr, propiciou a emissão a frio de elétrons para um microcampo elétrico local de aproximadamente 15 V/nm. Os metais polarizados com uma diferença de potencial elétrico de aproximadamente 390 V permitiram a passagem dos elétrons através da barreira de potencial presente na região do furo catódico. A curva de Fowler-Nordheim ratificou a eficácia do fenômeno na geração de um microplasma neste furo, visível a olho nu. Palavras-chave: tunelamento quântico, microcatodo oco, Fowler-Nordheim.The quantum tunneling is a phenomenon that provides numerous technological applications through direct application of the concepts of quantum mechanics. According to this phenomenon, electrons can be extracted from metal surfaces under which there is a huge potential gradient, ie, an intense local electric field. Through a system known as microhollow cathode two metal layers interspersed by a thin mica layer (with thickness d = 3 µm), perforated with holes of diameter D = 200 µm at a pressure of 20 Torr, led the extraction of cold electrons at a local electric microfield of approximately 15 V/nm. The voltage of about 390 V applied at these metals allowed the passage of electrons through the potential barrier at the cathode hole region. The FowlerNordheim curve confirmed the effectiveness of the phenomenon in the generation of microplasma inside the hole, visible to the naked eyes. Keywords: quantum tunneling, microhollow cathode, Fowler-Nordheim. IntroduçãoPlaca metálica que apresenta microprotrusões em sua superfície pode gerar gradientes de potencial elétrico intensos na região próxima a esta superfície, quando o metalé polarizado eletricamente. Estas pequenas imperfeições na superfície, invisíveis a olho nu, alteram a direção do campo elétrico local e aumentam sua intensidade devido ao efeito das pontas [1]. Para valores de intensidade do campo elétrico local da ordem de 10 5 -10 6 Vcm −1 (dependendo da função trabalho do metal usado), há uma probabilidade de ocorrer a "emissão a frio" de elétrons da superfície metálica polarizada negativamente (superfície catódica). A emissão a frio (ou "electron field emission")é um processo que ocorre em superfícies metálicas através da aplicação de intenso campo elétrico, onde os elétrons são extraídos através do fenômeno conhecido por tunelamento quântico ou efeito túnel. Neste fenômeno os elétrons podem transpor um estado de energia classicamente proibido, podendo escapar de regiões cercadas por barreiras de potencial mesmo quando sua energi...