☆ 洞途効果 ❗ ;
トンネル効果 ;
☆ トンネル・ダイオード❗;
別名： エサキ・ダイオード ;
【英】; tunnel diode ;
トンネル・ダイオード 、 とは、
量子トンネル効果を利用した、
電子素子 （ ダイオード ） 、 の事で、
筑波大学の江崎玲於奈氏が、発明した。
『 量子 トンネル 効果 』 、 とは、
きわめて、 微細な粒子、 が、
古典力学的には、 超え出る事ができない、
エネルギー障壁を、
量子効果と呼ばれる、 特殊な性質により、
乗り越えてしまう、 現象のことだ。
☆ ・・例えば、
原子核のアルファ崩壊も、
トンネル効果によって、 説明できる。
トンネル効果は、 １９５７年に、
物理学者の江崎玲於奈氏によって、発見され、
この発見により、 江崎氏は、 1973年に、
ノーベル物理学賞を授与されている。
トンネル効果を応用した製品としては、
トンネル・ダイオードを挙げ得る。
トンネルダイオードは、
ある電圧の領域において、
電圧をかければ、 かけるほどに、
電流が流れにくくなる、 特性である、
『 負性 抵抗 』 、を利用して、
マイクロ波のような、
超高周波の領域で、 発振、や、増幅を行う、
ための、 ダイオードで活用されている。
その他に、 走査型トンネル顕微鏡、
などにも、応用されている。
・・ 『 ダイオード 』 、 は、
実際には、 電子の流れようである、
電流を、一方向にだけ、 おもむかせる、
『 半導体 』、 だが、
不純物の多い、 『 ｐｎ 接合 』、 の、
『 半導体 』 、 などで、
量子トンネル効果による、
負性抵抗が、 応用されており、
極超短波、の、 領域での、 増幅や、
発振、 などに用いられる。
その性能は、 従来の比ではない。
☆ 我々の世界では、 通常は、
壁を通り抜けることは、できない。
しかし、 量子力学の世界では、
壁を通り抜けることがある。
本来は、 通り抜けられないはずの壁を、
ある確率で、 通り抜けてしまうことを、
『 トンネル 効果 』 、 と呼ぶ。
これは、原子や電子の持つエネルギーが、
不確定で、ある瞬間には、
壁を通り抜けてしまうほど以上に、
大きくなる事が、あるためだ。
トランジスタの黎明期に、
不良品が大量に発生した理由が、
トンネル効果である事を見抜いたのが、
江崎玲於奈氏だ❗。
@ 【 トンネル 電流 】;
量子力学のトンネル効果により、
薄い絶縁膜や、 エネルギー障壁を超えて、
山のトンネルを通るようにして、 流れる、
電流のこと。
エサキ・ダイオードは、
これを利用したもの。
@ 【 走査型トンネル顕微鏡 】 ;
鋭くとがった探針、 な、 （ プローブ ）、 を、 試料の表面に近づけ、 そこに流れる、 微弱な、 トンネル電流を利用し、 原子レベルで、 試料、の、表面の、 立体構造を観察できる顕微鏡。
試料は、 電子らを自らに通す、 導電性のものに限られる。
走査型プローブ顕微鏡の一つ。
1982年に、 ドイツの、 G＝ビーニッヒ氏、
と、 スイスの、 H＝ローラー氏により、
発明され、 二人は、 この功績により、 1986年に、 ノーベル物理学賞を授かった。
@ 【 ジョセフソン 素子 】 ;
非常に薄い、 絶縁体の膜を、
２枚の、 超電導体の膜たちで挟んだ、
構造を持つ、 素子。
片方の電極から、 電流を流すと、 絶縁膜の電気抵抗が、 超伝導体のように、 ゼロ 、 になり、
電子が、 エネルギー障壁を突き抜ける、
『 トンネル効果 』 、 という、
現象を成す❗。
@ 『 量子 トンネリング 』、 は、
障壁の厚さが、 およそ、
１ ～ ３ ｎm 、 以下の場合に起こる、
が、
これは、 いくつかの、 重要で、巨視的な、 物理現象ら、への、 原因となっている。
たとえば、 ＶＬＳＩ 、 において、
電力の損失、 および、 発熱、 への、
原因となり、
ひいては、 コンピュータ・チップの、
サイズ・ダウン限界を定めている、
漏れ電流、への、原因は、
『 量子 トンネリング 』、 である。
@ 恒星内での核融合❗ ;
我々の太陽、 などの、 恒星、 の、
内側での、 核融合にとっても、
量子トンネルは、 重要だ。
恒星の核における、 温度、と、圧力では、
クーロン障壁を乗り越えて、
熱核融合を引き起こすためには、
十分では、ない。
しかし、 量子トンネルのおかげで、
クーロン障壁を通り抜け得る、
確率が存在する。
この確率は、 非常に低いが、
恒星に在る、 原子核の数は、 莫大であり、
数十億年にもわたって、 定常的に、
核融合が続くこととなる。
ひいては、 生物が限られた、
ハビタブル・ゾーン
≒ 住み得域 、 の中で、
進化できる為の、 前提条件となっている。
@ 放射性 崩壊 ❗ ;
放射性崩壊とは、
不安定な、 原子核が、
粒子、と、 エネルギーを放出して、
安定な原子核へと変化する、過程な事だ。
この過程は、 粒子、が、
原子核の内側から、外へ、 洞抜け
≒ トンネリング 、 する、
ことにより、 生じている❗。
電子捕獲の場合は、 電子は、 外から、
内へ、 トンネリングしている❗ 。
量子トンネルが、
初めて、適用された例であり、
初めての近似でもある。
放射性崩壊は、
宇宙生物学の上でも、重要だ。
住み得域、の、 外で、
陽射しらの十分に届かない領域
（ たとえば、 深海底 ） 、 で、
生物が、 長期間に渡って生存できる、
環境が、 放射性崩壊 、ひいては、
量子トンネリングによって実現される、
可能性が、指摘されている❗ 。
@ 星間雲における、宇宙化学 ;
量子トンネル効果を考慮することにより、
分子状、な、 水素 Ｈ 、や、
水（ 氷 ）
≒ Ｈ２Ｏ 、 たち 、および、
生命への起源として重要な、
『 ホルムアルデヒド 』 、などの、
様々な分子らが、 星間雲
ヒューマグモ 、 において、
宇宙化学的に合成されている、
理由を説明できる。
量子生物学において、無視できない、
量子効果の筆頭として、
量子トンネル効果が、 挙げられる。
ここでは、 電子トンネリング、と、
プロトン・トンネリング、 との、
二つが、 重要となる。
電子トンネリングは、 多くの、
生化学的酸化還元反応
（ 光合成 、 細胞呼吸 ） 、 および、
タンパク質、 な、
酵素 コウソ 、による反応、への、
キー・ファクターであり、
また、
プロトン・トンネリング 、は、
ＤＮＡ、 での、 自発変異における、
キーファクターである。
タンパク質から成る、
遺伝子、 の本体な、
『 デオキシリボ 核酸 』、 である、
『 ＤＮＡ 』 、 での、 自発変異は、
通常の、 ＤＮＡ 、 への、
複製の時において、 特に、 重要な、
『 プロトン 』
≒ 『 正電荷、 な、 陽子 』 、
が、 確率の低い、
量子トンネリングを起こす、
ことによって、 生じ、
これを、 量子生物学では、
「 プロトン・トンネリング 」 、
と、 呼ぶ。
通常の、 ＤＮＡ 、の、 塩基対、は、
その端っこの、 水素 Ｈ 、 と、
水素 Ｈ 、 とが、 電荷らを片寄らせる、
場に成り合う事において、
『 水素 結合 』 、 を成してある。
水素結合に沿って見ると、
二重井戸ポテンシャル構造が生じており、
片方が、 より、 深く、
もう片方が、 より、 浅い、
非対称となっている、
と、 考えられている。
このために、 プロトンは、 通常は、
深い方の井戸に収まっている、
と、 考えられる。
変異が起こる為には、 プロトンは、
より、 浅い方の井戸に、
洞抜けすべき、 必要性がある❗ 。
このような、 陽子、 の、
通常な、 位置からの移動は、
『 互変異性 遷移 』 、 と呼ばれる。
このような状態で、
タンパク質らから、
ＤＮＡ 、への、複製が始まった場合には、
ＤＮＡ、 の、 一定部分な、
『 塩基対 』、 の、 会合則が乱され、
変異が起こりうる。
ペル＝オロフ・レフディン氏が、
初めて、 二重な螺旋 ラセン 、
たちの中における、 自発変異を取り扱う、
この理論を構築した。
その他の、 量子トンネルに由来の変異が、
『 老化 』、 や、 『 癌化 』、 への、
原因である、 と、 考えられている❗ 。
@ 『 電界 放出❗ 』 ;
電子の電界放出は、 半導体物理学や、
超伝導体物理学に関連する。
これは、 電子が、 乱段に
≒ ランダムに 、
金属の表面から、 飛び出す、
という点で、
熱電子放出 、 と似ている。
熱電子放出では、 互いに衝突しあう、
粒子、たちが、 エネルギー障壁を越える、
エネルギーを獲得して、 放出されるが、
電界放出では、
強い電界をかけることによって、
エネルギー障壁が、 薄くなり❗ 、
電子が、 原子の状態から、
洞抜けをする、 ことによって、
電子の放出が起こる。
したがって、 電流は、
電界に、 おおよそで、
指数関数的に依存する。
フラッシュ・メモリー、や、 真空管、に、
電子顕微鏡、 などにおいて、 重要だ。
@ 『 トンネル 接合 』 ;
非常に薄い、 不導体、を、
二つの導体たちで挟み込む、
ことによって、
単純な障壁を作り得る。
これを、 『 トンネル 接合 』、 とよび、
量子トンネルへの研究に用いられる。
ジョセフソン接合は、
超伝導と量子トンネルを利用する、
ジョセフソン効果を起こすための構造だ。
これは、 電圧と磁場への精密計測、
および、 多接合太陽電池に応用できる。
@ トンネル電流は、 急速に低下すので、
電圧が増すと、
電流が減るような、
電圧の領域を持つ、
トンネル・ダイオードを作成し得る❗。
このような、 特異的特性は、
電圧の変化の速さに、
量子トンネルへの確率の変化が、
追従できるような、
高速素子などにおいて、応用されている。
@ 共鳴 トンネル ・ ダイオード 、 は、
同じような結果を達成するが、
量子トンネリングを、 全く、 異なる、
方法で、 応用している。
このダイオードは、
伝導体での、 エネルギー準位が高い、
薄膜を、 複数を、 近接して、 配置する、
ことにより、
特定の電圧で、
大きな電流が流れる、 共鳴電圧を持つ。
このような配置により、
最低エネルギー準位が、 不連続に、
変化する、
量子ポテンシャル井戸が形成される。
このエネルギー準位が、
電子のエネルギー準位よりも、
高い、 場合は、
トンネリングは、 起こらず、
逆バイアスのかかった、
ダイオードのように、 動作する。
二つの、 エネルギー準位たちが、
一致した時々に、 電子は、
導線で繋がれたかのように流れる❗ 。
電圧を、さらに高くすると、
トンネリングが、 起こらなくなり、
あるエネルギー準位からはまた、
通常のダイオードのように、
動作しはじめる。
@ トンネル電界効果トランジスタ ;
ヨーロッパの研究プロジェクトにより、
ゲート （ チャネル ） 、を、
熱注入ではなく、
量子トンネリングで制御することにより、
ゲート電圧を 、
~ １ ボルト 、から、
０・２ ボルト 、 に低減し、
電力の消費量を、
百分の１ 、 以下 ❗ 、 に抑えた、
電界効果トランジスタが、 実証された。
このトランジスタを、 ＶＬＳＩ チップ
、にまで、 スケールアップする、
ことができれば、
集積回路の、 電力性能の効率を、
大きく、向上させ得る❗ 。
電気伝導における、 ドルーデ模系 、は、 金属の中での、 電子の伝導について、 優れた予言を行うが、電子の衝突する時の、 性質について、量子トンネルを考慮して、 改良し得る。
自由電子波束が、 等間隔に並んだ、 長い障壁の列に遭遇すると、
反射された波束と、透過する波束、とが、
均一に、干渉して、 透過率が、 百 ％ 、 となる場合がある。
この理論によれば、
正に帯電した、 原子核が、
完全な、 長方形格子を構成する場合には、
電子は、
金属の中を、 自由電子のように、
トンネリングし、
極めて高い伝導度を示す、 こと、
および、
金属中の不純物により、 これが、
大きく阻害される、 こと、 が、
予言される❗ 。
@ 『 電界 放出 』 ;
（ または、 電界 電子 放出 、
Field Emission 、 ＦＥ ） 、 とは，
物体の表面に、 強い電界を加えることで、
ポテンシャル障壁を薄くし，
トンネル効果によって、
その表面を抜けた電子を、
その外部へ放出する、 現象の事だ。
物質の表面に、 電場が加わると、
ショット・キー効果によって、
仕事関数が、 減少する❗ 。
電場をさらに大きくし、
表面の近傍
（ １０Å 、 程度以下 ） 、 の、
空間の仕事関数が、
『 フェルミ 準位 』 、 以下になると、
トンネル効果によって、
金属の内側の、 電子 ｅ 、 が、
常温でも、 その外部に放出される❗ 。
一般的に、 電界放出は、
温度に依存しない❗ 。
@ 無声放電 （ むせい ほうでん 、
Dielectric barrier discharge ） 、
とは、
一定の間隔をおいた、 平板の片方、
もしくは、 両方の電極を、
絶縁体 （ 誘電体 ） 、 で覆い、
交流電圧をかけた場合におこる、
放電 ❗ 、 のことだ。
『 誘電体 バリア 放電 』、 ともいう。
電極が、 絶縁体で覆われているために、
電極に、 電荷が流れ込むことができず、
大きな電流が、 流れない。
そのために、 火花放電、や、
コロナ放電のように、 放電の時に、
音がせず、そのために、
『 無声 放電 』、 と、 呼ばれる。
放電してある部分は、 空気の中では、
紫がかった光を発する。
この放電は、 オゾン生成装置
（ オゾナイザ ） 、や、
プラズマ・ディスプレイ、に、
電子強盗、 な、 窒素酸化物、 の、
ＮＯX ノックス ❗ 、 らや、
ＳＯX 、 といった、
有害な、 排気ガス、への、 分解、や、
重合な、 反応、 などに応用される。
☆ Takayanagi Lab.
プロトンの量子的反応機構の解明 ❗ ;
● プロトンは、 とても身近な粒子 ;
世の中には、 『 正電荷、な、陽子 』
≒ 『 プロトン 』 、
が、 あらゆる所に存在します。
例えば、 我々な、 生物は、
アミノ酸や、
アミノ酸たちから成る、
『 たんぱく質 』、 などの、
炭素 Ｃ 、 を含む、 化合物、な、
有機化合物で、 できており、
この化合物には、 多くの、
プロトン 、 が含まれています。
また、 人の体は、 その、 約 ７０ ％ 、
が、
水 Ｈ２Ｏ 、 たち 、 で、
できている、 と、 いわれる位に、
体内には、 大量の水分 Ｈ２Ｏ 、
が、 あります。
その水を、 化学式で書くと、
Ｈ２Ｏ 、 つまり、
２つの、 『 プロトン 』
≒ 水素 Ｈ 、 の、 原子核 、は、
単独の、 『 正電荷、 な、 陽子 』 、
だけから成る、 場合もある 、
が、 あることが、 分かります。
自然界に、 これほどに、 多くの、
Ｈ 、 が、 あるにも関わらず、に、
実際に、 どのように動いて反応するのか、
は、 良く、 分かっていません。
何故でしょうか？
それには、 量子力学が、 非常に、
深く関わってきます。
私たちが、 目で物を見ると、
止まっている物は、 止まって見えるし、
動いている物は、 動いて見えます。
ですが、
原子、や、分子ぐらいの大きさでは、
話が変わってきます。
● 量子力学の不思議❗ ;
原子、や、分子、 は、 Å
（ オングストローム ） 、 程度の、
大変に、 小さなスケールで動いています
（ １ Å ＝
0.0000000001 メートル
＝ 百億分、の、 １ メートル ）。
そこで、 このスケールで、
原子、や、分子、が、
どのように動き回るのかを知るために、
『 ポルフィセン 』 、 と呼ばれる、
分子を例にあげてみます。
『 ポルフィセン 』、 は、
光合成に関係ある、
『 クロロフィル 』、 や、
血潮の中の、 赤血球たちの各々の内側に、
沢山にある、 鉄とタンパク質とから成る、
『 ヘモグロビン 』、 の中にある、
『 ポルフィリン 』、 への構造異性体
（ 化学式は、 同じなのに、
立体な構造だけが、 違う分子 ）、
です。
この分子を止まっていると仮定した時に、
その構造は、 図１、の、
左 、 のように見えます。
≒ 元の記事には、 図像らがある ;
しかし、 実際は, 温度が、 Ｏ Ｋ
（ ＝ ➖ ２７３ ・１５ ℃、
最低の温度 ） 、 でも、
右のように、 ボワっとしていて、
原子、や、 分子は、止まっていません❗ 。
これこそが、
量子力学の不思議の一つでもあります。
さらに、 その内側にある、 プロトン
≒ その原子核を構成する、
正電荷、 な、 陽子 ❗ 、 は、
図１、の、 左 、では、
反対側に近くの、 窒素 Ｎ 、の、
近くに、 留まっています。
しかし、 図１、の、 右 、 をみると、
プロトンは、 上下に大きく広がっている、
ことが、 分かります。
これも、 先ほどの、
『 実際の分子は、 止まっていない 』、
効果は、 含まれていますが。
実は、 それだけでは、 ありません。
それが、 俗にいう、
『 トンネル 現象 （ 効果 』 、 です。
プロトンは、 とても軽い粒子である為に、
トンネル現象を色々な場面で起こします。
どんな、原子、や、分子の反応でも、
必ず、 その反応障壁を超えなければ、
いけません。
物が、 ある特定の形を持っているのは、
このおかげで、 もし、 この山
≒ エネルギー障壁 、
が、 無いと、
分子は、 色々な所らに、
簡単に移動できるようになって、
結果的に、 バラバラになってしまいます。
言い換えると、
原子、や、分子は、 この山を越える、
エネルギーをもつことで、
反対側に行ける、
つまり、
反応できるようになります。
しかし、
プロトンは、恐ろしい粒子です。
たとえ、 この山を越える、
エネルギー 、を、 持っていなくても、
この山を、 いわば、
何も、無かったように、
通り抜ける時が、 あります❗ 。
それが、 トンネル現象です。
その影響で、 『 ポルフィセン 』、
の、 内側にある、
２個の、 陽子たちは、
図１、の、 右 、 のように、
大きく、 広がったものとなるのです。
論文："Theoretical study on the mechanism of double proton transfer in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations," T. Yoshikawa, S. Sugawara, T. Takayanagi, M. Shiga and M. Tachikawa, Chem. Phys. Lett., 496, 14-19 (2010).
☆ 光と電子との関係がより明らかに❗;
筑波大の研究 ;
光と電子との関係と言えば、
1905年に、アインシュタイン氏が発表した、
光電効果における光量子仮説が、有名だ。
彼は、 この研究の成果が認められて、
1921年に、
ノーベル物理学賞を授かっている。
『 光 量子 仮説 』 、とは、
【 自らにおいて、 波のごとき、
動きようを成す、現象らを観察されてもある、
事から、 それ自らが、 波のように、 ある、
とも、観られてある 】、
「 『 光 』 、 は、 粒子のように、
つぶつぶになって、空間内に存在している 」 、 という、 考えよう、で、
原子核の周りをまわっている、 電子は、
光を当てると、 一瞬にして、
そのエネルギーを吸収し、
より高い、 エネルギー準位状態に、
瞬間的に変わる、
と、 主張するものだ。
原子の中の、 電子は、
自分の持つエネルギー準位によって、
軌道や周波数が、決まる。
光から、 エネルギーを得た電子は、
それまでの軌道より、
外側の軌道へ、 瞬間に移動するのだ。
また、 逆に、 原子の中の電子が、
エネルギーを原子の外に放出する、
ことで、 光を発し、 電子は、
より内側の軌道へと、
瞬間に移動する。
蛍光灯が、 明るく光るのは、
この原理を応用しているためで、
蛍光灯が、 光を放つ瞬間には、
電子は、 微小な距離 、 とはいえ、
私たちの常識では、 理解しがたい、
『 瞬間 移動 』
（ つまり、 時間を必要としない移動 ） 、
を、 おこしているのだ❗ 。
前置きが長くなったが、 この度に、
筑波大学が発表した研究の成果は、
遷移金属中の、 電子の振る舞いについての、
メカニズムを解明した、
というものだ。
一般的に、 金属な原子の内側では、
電子は、 自由電子として、
内部を、 自由に❗ 、移動ができる。
これが、 銅 Ｃｕ 、 な、 線の内を、
電流が流れる、 原理だ。
一方で、 チタン、や、 ジルコニウム、
のような、 遷移金属では、
一部の電子は、
原子核の束縛から、 完全に逃れる、
ことは、 できず、
原子核の周りの、 ごく狭い範囲に、
局在している。
この遷移金属の中の原子核の周りに、
局在している、 電子の挙動が、
高温による、 超電導、 や、
金属の絶縁体の転移、 などの、
現象をもたらしている。
筑波大学では、 ２種類の、
光パルスたちを、 チタン 、 に照射し、
一次の、 パルスで、 電子を励起させておき、
二次の、パルス 、 を照射しながら、
電子、による、
光な、エネルギーへの吸収での、
特性の、 時間的な変化を測定した。
そのような結果をもたらす、
メカニズムについて、
スーパー・コンピュータによる、
電子運動へのシミュレーションによって、
解明を試みたら、 光によって、
電子 、が、遷移金属な原子の周りに局在し、
物質の内部の、 微視的な、
遮蔽効果の変化に起因する、
ことが、 明らかとなった。
この研究の成果は、 遷移金属の特性を、
ごく短時間に、 変化させ、
目的の特性を得る、
技術の実用化、への、足がかりとなる、
モノであり、
様々な分野への応用が、期待される。
蛍光灯、 以来の、 大発明品が、
世の中に出現することを、
楽しみに待つことにしよう。