Порог потенциальной энергии, который частицы должны преодолеть; здесь электроны туннелируют сквозь него.Энергетический барьер — это порог потенциальной энергии, который частица должна преодолеть, чтобы перейти из одного состояния в другое. В классической физике частице требуется кинетическая энергия, по крайней мере равная высоте барьера, чтобы перевалить через него. Однако в квантовой механике частицы могут «туннелировать» сквозь барьеры даже с меньшей энергией — это чисто волновое явление, не имеющее классического аналога. Эта концепция лежит в основе термоядерного синтеза в звёздах, где протоны туннелируют сквозь кулоновское отталкивание, чтобы слиться, а также во многих электронных устройствах.
Концепция возникла в конце 1920-х годов, когда Джордж Гамов, а независимо Рональд Гёрни и Эдвард Кондон использовали квантовое туннелирование для объяснения альфа-распада — первого применения квантовой механики в ядерной физике.
Частица, приближающаяся к барьеру, описывается волновой функцией, которая проникает в классически запрещённую область. Если барьер достаточно тонкий, амплитуда волновой функции не успевает затухнуть до нуля, прежде чем достигнет другой стороны, что даёт малую, но ненулевую вероятность прохождения. Вероятность туннелирования экспоненциально зависит от ширины и высоты барьера, а также от массы частицы — более лёгкие частицы туннелируют легче. Поэтому электроны легко туннелируют в полупроводниках, тогда как более тяжёлым ядрам требуются чрезвычайно тонкие барьеры.
Туннелирование через энергетические барьеры используется во флеш-памяти, в сканирующих туннельных микроскопах, которые визуализируют поверхности атом за атомом, а также при создании туннельных диодов для высокоскоростной электроники.
Реакции синтеза на Солнце идут со скоростью, которая была бы невозможна с классической точки зрения — температура ядра слишком низка, чтобы протоны преодолели кулоновский барьер, — но квантовое туннелирование делает это возможным, и Солнце светит благодаря этому.
