Dalam dunia fisika klasik, hukum-hukum Newton berlaku sangat ketat dan kaku, misal jika sebuah bola menabrak tembok maka bola akan memantul atau berhenti, tidak mungkin menembusnya. Namun beda dengan di fisika kuantum, di alam kuantum aturan itu bisa tidak berlaku. Partikel-partikel subatomik seperti elektron atau proton dapat melakukan sesuatu yang tampaknya mustahil jika terjadi di dunia makro, mereka dapat “menembus” penghalang energi yang secara teoritis tidak dapat mereka lewati. Fenomena inilah yang disebut Quantum Tunneling.
Apa itu Quantum Tunneling ?
Quantum Tunneling adalah fenomena ketika sebuah partikel memiliki peluang untuk melewati suatu penghalang energi, meskipun secara energi klasik partikel tersebut tidak cukup untuk menembus penghalang tersebut. Dalam mekanika klasik, jika partikel tidak memiliki energi yang cukup besar untuk menembus penghalang, maka ia akan selalu dipantulkan kembali. Tetapi pada mekanika kuantum ada dikenal dengan konsep fungsi gelombang yang menggambarkan probabilitas keberadaan partikel dalam ruang.
Fungsi gelombang ini tidak berhenti tiba-tiba pada batas penghalang, tetapi menurun secara eksponensial di dalam penghalang. Artinya, meski kecil, selalu ada kemungkinan fungsi gelombang “muncul” kembali di sisi lain penghalang. Jika probabilitas tersebut tidak nol, maka partikel memiliki peluang nyata untuk muncul di sisi lain, seolah-olah ia menembus penghalang.
Fenomena Quantum Tunneling dapat dijelaskan dengan persamaan Schrodinger, yaitu persamaan fundamental dalam mekanika kuantum yang menggambarkan tentang evolusi fungsi gelombang suatu partikel. Ketika persamaan tersebut diterapkan pada suatu partikel yang mendekati penghalang energi potensial, hasilnya menunjukkan bahwa ada solusi matematis yang memperbolehkan fungsi gelombang berlanjut melewati penghalang, walau amplitudonya menjadi sangat kecil.
Baca juga : Mengapa Meteor Terbakar saat Jatuh ke Bumi
Besarnya peluang tunneling dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu :
- Lebar Penghalang, semakin tebal lebar penghalang maka akan semakin sulit partikel dapat menembus
- Tinggi Penghalang Energi, semakin besar perbedaan antar energi partikel dan tinggi penghalang, maka semakin kecil peluang tunneling.
- Massa Partikel, partikel dengan massa kecil seperti elektron akan lebih mudah tunneling dibanding partikel yang lebih berat.
Contoh Fenomena Quantum Tunneling di Alam
Fenomena tunneling bukan sekedar teori, ia benar-benar terjadi di alam dan memiliki peran penting dalam banyak proses fisika dan teknologi modern.
- Fusi Nuklir di Matahari, Matahari bersinar karena reaksi fusi nuklir di intinya. Suhu inti matahari sekitar 15 juta Kelvin, namun secara teori klasik, suhu ini belum cukup tinggi untuk memberikan energi kinetik yang dapat mengatasi tolakan Couloumb antara dua inti hidrogen yang sama-sama bermuatan positif. Tetapi berkat Quantum Tunneling, inti-inti tersebut masih dapat menembus penghalang potensial dan bergabung, melepaskan energi dalam jumlah besar.
- Radioaktifitas dan Peluruhan Alfa, Dalam peluruhan alfa, inti atom yang tidak stabil memancarkan partikel alfa (dua proton dua neutron). Secara klasik pastikel alfa terperangkap oleh gaya nuklri di dalam inti. Namun melalui tunneling, partikel alfa dapat keluar dari inti walaupun tidak memiliki energi yang cukup untuk melompat keluar.
- Mikroskop Tunneling (STM), Teknologi STM memanfaatkan efek tunneling untuk memetakan permukaan material pada skala atom. Dalam STM, jarum konduktor didekatkan dengan sangat dekat ke permukaan sampel, hingga hanya terpisah beberapa nanometer. Elektron dapat menembus celah kecil ini melalui efek tunneling, menghasilkan arus listrik yang sangat sensitif terhadap jarak. Alat ini memungkinkan ilmuwan melihat dan memanipulasi atom satu persatu.
Aplikasi Teknologi Quantum Tunneling
Selain fenomena alam, Quantum Tunneling juga memiliki banyak aplikasi praktis :
- Dioda Tunneling dan Komponen Elektronik, efek tunneling digunakan dalam pembuatan dioda tunneling, transistor kuantum, dan memori flash. Ini penting dalam perkembangan teknologi semikonduktor yang semakin kecil dan cepat.
- Jam Atom dan Komputasi Kuantum, dalam teknologi presisi tinggi seperti jam atom atau komputer kuantum, fenomena tunneling perlu dipahami secara mendalam untuk mengontrol perilaku partikel subatomik dengan tepat.
- Efek Josephson dalam Superkonduktor, tunnneling juga terjadi dalam sambungan Josephson, dimana pasangan elektron dapat menembus penghalang isolator tipis antara dua superkonduktor. Fenomena ini digunakan dalam pembuatan sensor magnetik supermagnetik super sensitif (SQUID).
Implikasi Filosofis dan Ilmiah
Quantum Tunneling menunjukkan bahwa realitas pada skala kuantum sangat berbeda dari dunia sehari-hari. Fenomena ini menantang intuisi kita tentang ruang, energi dan kemungkinan. Tunneling juga menjadi bukti kuat bahwa alam semesta tidak sepenuhnya deterministik : probabilistik memainkan peran penting.
Selin itu juga efek tunneling diprediksi juga terjadi dalam proses-proses kosmologis, seperti pelolosan partikel dari lubang hitam. (efek Hawking) atau pembentukan alam semesta alam melalui fluktuasi kuantum.
Pada akhirnya, Quantum Tunneling adalah salah satu contoh paling menakjubkan dari keanehan mekanika kuantum. Dari dalam inti matahari sampai pada perangkat elektronik modern, dari teori hingga penerapan teknologi, fenomena ini membuktikan bahwa partikel-partikel pada skala kecil tidak terikat oleh hukum-hukum fisika klasik yang kaku. Mereka dapat menembus “tembok” energi dan membuka berbagai proses alamiah dan inovasi teknologi masa depan.
Referensi : google