양자 터널링 현상은 무엇일까?

다들 양자 터널링 현상에 대해서 들어본 적이 있는가?

양자역학의 난해함을 설명할 때에 꼭 등장하는 것이 양자 터널링인데,

양자 터널링이란, 소립자들이 마치 터널을 뚫어서 벽을 통과하는 듯한 현상을 말하는 것이다

이는 반도체에서 특히 중요한 현상인데,

현재 반도체 공정은 약 3nm까지 온 상황이다. 이 정도로 극히 미세한 환경에서는

전자가 터널링 현상을 통해 다른 곳으로 넘어가 버리는 현상이 발생하게 되는데

이는 반도체의 신뢰성에 큰 문제가 야기한다.

그렇다면 왜 이런 현상이 생기는 것일까?

우리는 일반적으로 어떠한 물질이 존재한다는 것을 어렵지 않게 상상할 수 있다

공간 상에 그것이 존재한다. 그냥 그 위치에 있는 것이다.

그런데, 사실 이것은 잘못된 것이다.

물질은 어떠한 공간에서 확률적으로 존재한다.

물질의 정확한 위치라는 것은 사실 없는 것이다.

파동함수라는 함수의 모양으로 확률이 퍼져서, 그 확률대로

그 물질이 그 위치에 있을 확률을 정의하게 된다.

다만 우리 눈에 보일 정도의 물질은 너무나도 크기 때문에

그 물질이 그곳에 존재할 확률이 한없이 100%에 가까운 것이다.

뭐 한 99.9999999999999……………9% 될 것이다.

위의 그림처럼 넓게 퍼진게 아니라 아래처럼 한 점에서 쭉 솟아있는 확률이 되는 것.

그런데, 이것이 분자, 원자 단위로 오게 되면 달라진다.

마치 인류가 진리라고 믿었던 뉴턴의 물리법칙들이

우주적 스케일로 가면 맞지 않아서 상대성 이론을 적용해야 하는 것 처럼

거시적인 세상과는 다른 사고로 접근해야 한다.

미립자들은 더 이상 한 곳에 고정되어 존재하지 않는다

그 위치를 확률로서 나타낼 수 있을 뿐이다.

그것을 나타내는게 바로 슈뢰딩거 방정식이며, 그 모양이 파동(사인 , 코사인) 과 같다 해서 파동함수라고 하는 것이다.

그럼 여기까지 이해했다 치고,

양자 터널링 현상은 왜 생기는데?

그림의 움직이는 그래프는 어떠한 입자의 존재확률을 나타내고, 입자가 어느 장벽을 향해 움직이는 모습을 나타낸다

위의 그림을 쉽게 설명하면, 물질이 존재 할 확률이 넓게 퍼져서 분포하기 때문에

장벽이 충분히 얇다면, 그 장벽을 넘어서 물질이 존재할 확률이 누수되는 것이다

그리고 누수된 만큼 확률이 줄어들어서 반사된다.

신기하지 않은가?

액체도 아니고

존재확률이 누수된다는 것이

그리고 물질이 넘어가면 넘어간거고

못넘어가면 못넘어간거지

존재 확률이 쪼개어진다 이 대체 무슨 말도안되는 소리?

상식적으로 이해가 안되지만

그 상식은 우리가 눈으로 보는 세상의 상식이다

그리고 사실 정확히 말하면 우리가 눈으로 보는 세상도 이와 똑같이 움직인다

다만 뉴턴은 양자역학이 아닌 다른 방식으로 세상을 해석했고, 그것이 우리 눈으로 보는 세상에 한정해서는 맞았던 것이다