TUNELAMENTO QUÂNTICO
TUNELAMENTO QUÂNTICO
José Fernandes de Lima[1]
O tunelamento quântico é um tema da física moderna que parece contraintuitivo aos olhos da física clássica, pois envolve partículas que atravessam barreiras aparentemente intransponíveis.
O tunelamento quântico (algumas vezes chamado efeito túnel) é um fenômeno da física quântica no qual partículas podem transpor um estado de energia classicamente proibido. Em outras palavras, uma partícula pode escapar de regiões cercadas por barreiras de potencial mesmo se sua energia for menor que a energia potencial da barreira. Esse fenômeno explica desde o decaimento radioativo até o funcionamento de dispositivos eletrônicos avançados e é fundamental para o desenvolvimento de tecnologias quânticas modernas.
O tunelamento é uma consequência da natureza ondulatória da matéria. Na mecânica quântica, partículas subatômicas como o elétron apresentam comportamento ondulatório, representado por uma função de onda que define a probabilidade de elas serem encontradas em determinadas posições.
Os cálculos matemáticos mostram que a função de onda não desaparece abruptamente ao encontrar uma barreira de potencial, mas penetra de forma exponencialmente decrescente na referida barreira. Mesmo que a barreira tenha altura e largura infinitas a função de onda não desaparece abruptamente ao encontrar a barreira.
Se a barreira tiver largura e alturas finitas, há uma probabilidade não nula de que a partícula surja do outro lado, mesmo não tendo energia para superar a barreira classicamente.
Para entender o tunelamento quântico de forma simplificada, podemos pensar em uma partícula de energia E que se aproxime de uma barreira de potencial de altura E m, onde E m é maior do que E.
De acordo com a física clássica, essa partícula não teria energia suficiente para atravessar a barreira, mas, na mecânica quântica, a partícula é tratada como uma onda descrita por uma função de onda 
que é solução da equação de Schrodinger.
O comportamento da função de onda é tal que a probabilidade de ela aparecer do outro lado da barreira é diferente de zero, ou seja, permite o que chamamos de tunelamento.
O decaimento radioativo das partículas alfa é um exemplo de tunelamento na vida prática. Átomos radioativos emitem partículas alfa que conseguem “tunelar” para fora do núcleo atômico, atravessando uma barreira de potencial imposta pelas forças nucleares. Esse fenômeno explica a emissão de partículas mesmo quando elas não têm energia suficiente para superar a barreira classicamente.
O tunelamento quântico vem deixando de ser apenas curiosidade teórica para se tornar uma ferramenta fundamental em física aplicada e nas tecnologias inovadoras.
Um exemplo clássico bastante conhecido é o Microscópio de Tunelamento (Scanning Tunneling Microscope - STM).
O STM utiliza o tunelamento para mapear superfícies atômicas. Uma ponta muito fina é colocada próxima da superfície do material e, pela distância muito pequena, os elétrons “tunelam” entre a ponta e a amostra, permitindo medir a corrente e construir imagens com resolução atômica.
O diodo túnel é um tipo especial de diodo eletrônico que explora o tunelamento para permitir a condução elétrica em condições em que diodos tradicionais não funcionam, sendo usado em circuitos de alta frequência e eletrônica de muito baixa potência.
A junção de Josephson é um elemento usado em circuitos supercondutores onde pares de elétrons realizam tunelamento quântico, essencial para desenvolver sensores magnéticos ultrassensíveis e bases para computação quântica.
A descoberta do tunelamento quântico macroscópico em circuitos supercondutores, premiada em 2025, abre caminho para construção e aprimoramento dos computadores quânticos e outros dispositivos quânticos, aumentando a capacidade de processamento em novas escalas.
O Prêmio Nobel de Física 2025 foi concebido aos físicos John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis pelos seus experimentos pioneiros que demonstraram o tunelamento quântico macroscópico e a quantização de energia em circuitos elétricos semicondutores.
Eles provaram que fenômenos quânticos, até então observados apenas no mundo microscópico das partículas isoladas, também podem ocorrer em sistemas grandes o suficiente para serem manipulados em laboratório e vistos a olho nu.
O trabalho premiado comprova que a física quântica pode ser aplicada em sistemas macroscópicos. Isso abre espaço para novas aplicações.
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