DALAM fisika klasik, partikel, seperti bola yang dilemparkan ke atas, akan berhenti dan jatuh kembali ke tanah ketika energinya habis. Namun, dalam mekanika kuantum, ada kemungkinan partikel tersebut melintasi suatu rintangan meskipun secara teori energinya tidak mencukupi.
Inilah yang disebut dengan quantum tunnelling (terowongan kuantum). Fenomena ini menggambarkan bagaimana partikel dapat "melewati" penghalang yang seharusnya tidak bisa dilaluinya.
Contohnya, elektron dalam atom kadang-kadang bisa "melompat" keluar dari atom tanpa mendapatkan energi tambahan yang diperlukan (Griffiths, "Introduction to Quantum Mechanics", 1995).
Baca juga: Mengapa Kadar Oksigen Menipis Saat Berada di Puncak Gunung?
Proses terowongan ini tak bisa diprediksi dengan pasti. Ini berarti bahwa kita tidak bisa menentukan kapan pastinya partikel akan melalalui terongan (tunnelling). Namun, dengan mekanika kuantum, kita bisa menghitung probabilitas atau kemungkinan partikel untuk melakukan tunnelling melalui penghalang tertentu.
Dasar Mekanika Kuantum
Mekanika kuantum adalah cabang fisika yang menggambarkan perilaku partikel pada skala sangat kecil, seperti atom dan subatomik. Salah satu prinsip utamanya adalah prinsip superposisi, yang menyatakan bahwa suatu partikel dapat berada dalam banyak keadaan sekaligus hingga pengukuran dilakukan (Heisenberg, "Physical Principles of the Quantum Theory", 1930).
Selanjutnya, ada konsep gelombang probabilitas. Dalam mekanika kuantum, kita tidak bisa dengan pasti mengetahui posisi dan momentum partikel pada saat yang sama (disebut sebagai prinsip ketidakpastian Heisenberg).
Baca juga: Mengapa Tubuh Kita Menggigil Saat Kedinginan?
Sebagai gantinya, kita dapat mengetahui probabilitas menemukan partikel dalam keadaan tertentu. Fenomena tunnelling kuantum sebenarnya adalah manifestasi dari gelombang probabilitas ini (Dirac, "Principles of Quantum Mechanics", 1930).
Selain itu, ada juga prinsip komplementaritas yang dikemukakan oleh Niels Bohr. Ini berarti bahwa perilaku partikel dapat digambarkan dalam berbagai cara, tergantung pada bagaimana kita mengukurnya. Sebagai contoh, cahaya bisa berperilaku sebagai partikel (foton) dalam satu eksperimen, dan sebagai gelombang dalam eksperimen lainnya.
Ilustrasi Efek Terowongan Kuantum
Sebagai ilustrasi sederhana, bayangkan Anda memiliki bola yang berguling di dalam lembah yang dikelilingi oleh bukit-bukit tinggi. Dalam fisika klasik, bola ini tidak akan mampu melintasi bukit tanpa bantuan energi ekstra.
Baca juga: Mengungkap Fakta Menarik Mengenai Mata Minus: Pandangan yang Memudar
Tetapi dalam dunia kuantum, ada kemungkinan, meskipun kecil, bahwa bola tiba-tiba akan muncul di sisi lain bukit tanpa pernah benar-benar melewatinya. Ini bukan karena bola tersebut melompat melewati bukit, melainkan ia seolah "muncul" di sisi lain tanpa melewati rintangan.
Eksperimen dan Observasi
Sejumlah eksperimen telah dilakukan untuk mengamati fenomena tunel kuantum. Salah satu eksperimen paling terkenal adalah eksperimen perapian alfa. Dalam proses peluruhan radioaktif, inti atom kadang-kadang mengeluarkan partikel alfa meskipun partikel tersebut tidak memiliki energi cukup untuk melintasi penghalang potensial yang mengelilingi inti.
Namun, dengan mekanika kuantum, dapat dijelaskan bahwa partikel alfa tersebut "melewati" penghalang tersebut melalui efek terowongan.
Selain itu, efek terowongan kuantum juga telah diamati dalam semikonduktor dan dalam eksperimen dengan superkonduktor. Dalam teknologi semikonduktor, terowongan kuantum menjadi salah satu pertimbangan desain kunci dalam pembuatan transistor ukuran nanometer.
Fenomena ini juga berperan penting dalam operasi perangkat seperti SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), yang digunakan untuk mengukur medan magnet dengan presisi sangat tinggi.
Dengan adanya teknologi pencitraan yang canggih seperti mikroskop tunel pemindai (STM), ilmuwan bahkan dapat "melihat" efek tunel kuantum terjadi pada skala molekuler. Hal ini tidak hanya membuktikan eksistensi fenomena tersebut tetapi juga memungkinkan peneliti untuk memanfaatkannya dalam berbagai aplikasi teknologi.
Aplikasi Teknologi Tunel Kuantum
Efek terowongan kuantum bukan hanya sebuah fenomena menarik di laboratorium, tetapi juga memiliki berbagai aplikasi praktis dalam teknologi modern. Salah satu perangkat yang secara langsung memanfaatkan efek tunnelling adalah Mikroskop Tunel Pemindai (STM). Mikroskop ini memungkinkan ilmuwan untuk memvisualisasikan permukaan material hingga skala atom dengan menggunakan efek terowongan kuantum.
Saat ujung jarum sangat tajam dari STM didekatkan ke permukaan material, elektron akan "melompat" antara ujung jarum dan permukaan, menghasilkan arus yang dapat diukur. Variasi dalam arus ini memberikan gambaran detail permukaan material pada skala nanometer.
Selain itu, memori flash, yang digunakan dalam USB drive dan kartu memori, berfungsi berkat tunnelling kuantum. Ketika data disimpan, elektron "melompat" melalui penghalang isolator ke floating gate, mengubah keadaan gate dan, dengan demikian, menyimpan bit data.
Aplikasi lain dalam Teknologi Modern
Efek terowongan kuantum juga menjadi dasar operasi untuk komponen elektronik seperti dioda tunnel. Dioda ini memungkinkan arus untuk mengalir melalui penghalang yang seharusnya tidak dapat dilalui oleh elektron menurut prinsip fisika klasik.
Selanjutnya, dalam bidang komputasi kuantum, potensi komputer kuantum untuk memecahkan masalah yang sulit dipecahkan oleh komputer klasik sebagian besar didasarkan pada prinsip-prinsip mekanika kuantum, termasuk terowongan kuantum. Kemampuan partikel untuk berada dalam banyak keadaan sekaligus dan melakukan tunneling penghalang potensial dapat dimanfaatkan untuk melakukan perhitungan pada skala yang belum pernah ada sebelumnya.
Terowongan kuantum juga berperan dalam pembuatan jam atom yang sangat presisi, yang digunakan dalam sistem penentuan posisi global (GPS) dan eksperimen fisika lainnya yang membutuhkan pengukuran waktu dengan akurasi yang sangat tinggi.
Dengan penelitian berkelanjutan dan pengembangan teknologi, potensi aplikasi terowongan kuantum di masa depan sangat besar dan bisa merevolusi berbagai bidang teknologi.
