Znane także jako zjawisko tunelowe, odnosi się ono do przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia tej cząstki. Jest ono częścią mechaniki kwantowej, dlatego z punktu widzenia klasycznej fizyki brzmi co najmniej dziwnie, ale naukowcy przewidywali występowanie tego fenomenu już niemal sto lat temu.
Czytaj też: Powstał tłumacz dla kwantowego świata. To urządzenie ma gigantyczny potencjał
Po dekadach badań w tej sprawie udało im się zrealizować scenariusz, w którym zjawisko tunelowe umożliwia im identyfikację molekuł występujących w tak niskich stężeniach, że nie dałoby się ich wykryć na konwencjonalne sposoby. Na szczęście niesamowity świat fizyki kwantowej sprawia, że to, co wydawało się niemożliwe, nagle znajduje się w zasięgu ręki badaczy.
Szwajcarscy inżynierowie opracowali bowiem czujnik kwantowy mający postać biosensora, który nie potrzebuje źródła światła, ponieważ sam je wytwarza. Dzieje się tak przy udziale efektu tunelowego, a powstałe urządzenie umożliwia wykrywanie cząstek w stężeniach tak niskich, że większość narzędzi nie byłaby w stanie ich zidentyfikować. Z tego względu mówi się o mnogości potencjalnych zastosowań tej technologii.
Kwantowy fenomen zwany efektem tunelowym pozwala wykrywać cząstki występującej w pikogramowych stężeniach
Kulisy jej powstania zostały opisane w Nature Photonics, a autorzy tej publikacji wyjaśniają, jak elektrony przechodzące przez nanostrukturę złota i tlenku glinu wywołują emisje światła w odpowiedzi na wykrycie cząstek występujących w ilościach rzędu bilionowej części grama. Wystarczy sobie wyobrazić użycie tej technologii na potrzeby detekcji prowadzonej w świecie medycyny bądź trudno dostępnych i słabo zbadanych środowiskach.
Optyczne biosensory są powszechnie stosowane, ale wykazują przy tym ograniczenia, z którymi członkowie zespołu badawczego starali się walczyć. W tym celu zastąpili zewnętrzne źródło światła mechaniką kwantową, dzięki czemu zyskali możliwość wykrywania stężeń liczonych w pikogramach. Jeśli zaś chodzi o to, jak wyglądało to w praktyce, to eksperymenty pokazały, jak elektron przekroczył barierę tlenku glinu i dotarł do ultracienkiej warstwy złota. Przekazał przy tym część swojej energii do tzw. plazmonu, który wyemitował foton, czyli cząstkę światła.
Czytaj też: Wykorzystali laserowe szczypce, by zrobić coś niebywałego. Atomy weszły w specjalne splątanie
Zorganizowane testy potwierdziły skuteczność tego rozwiązania w formie biosensora wykrywającego aminokwasy i polimery w stężeniach liczonych w pikogramach. Mówimy więc o detekcji na skalę, o jakiej do niedawno można było co najwyżej pomarzyć. W praktyce opisywana technologia powinna sprawdzić się między innymi w diagnostyce medycznej bądź wykrywaniu zanieczyszczeń środowiskowych.