В опубликованном в журнале Physical Review Letters исследовании учёные под руководством профессора Дон Эона Кима из физического факультета POSTECH решили загадку века, связанную с квантовым туннелированием. Это исследование, проведённое в сотрудничестве с Институтом ядерной физики Общества Макса Планка, проливает свет на удивительное поведение электронов в квантовом туннеле.
Впервые учёные стали свидетелями сложных взаимодействий, происходящих внутри туннеля, обнаружив скрытый процесс столкновения, который бросает вызов устоявшимся представлениям о природе квантовой механики. Результаты этого исследования могут изменить понимание динамики электронов и способствовать развитию таких технологий, как квантовые вычисления, полупроводники и сверхбыстрые лазеры.
Квантовое туннелирование: таинственный путь электронов
Квантовое туннелирование — это явление, которое десятилетиями будоражило умы физиков. Оно позволяет частицам, таким как электроны, проходить через энергетические барьеры, которые, казалось бы, не обладают достаточной энергией для преодоления. Представьте себе невидимый путь, прорезающий, казалось бы, непроницаемую стену. Хотя эта концепция звучит как научная фантастика, квантовое туннелирование играет решающую роль во многих физических процессах, таких как работа полупроводников в современной электронике и ядерный синтез на Солнце.
Однако до сих пор то, что происходит внутри туннеля во время самого процесса туннелирования, оставалось в значительной степени неизвестным. Хотя учёные могли наблюдать за входом и выходом электронов из квантовых барьеров, сложная динамика внутри барьера никогда не была полностью изучена.
Прорыв: раскрытие скрытого столкновения
Впервые в истории учёные непосредственно наблюдали, что происходит внутри квантового туннеля. Для этого исследовательская группа под руководством профессора Ким Дон Эона и профессора К. Х. Кейтеля из Института Макса Планка использовала интенсивные лазерные импульсы для индуцирования электронного туннелирования в атомах.
Используя эту технику, они обнаружили удивительное явление: вместо того чтобы просто проходить через барьер, электроны сталкивались с атомным ядром, находясь внутри туннеля. Это неожиданное открытие получило название «подбарьерное столкновение» (UBR) и коренным образом меняет наше понимание процесса туннелирования.
Ранее учёные полагали, что электроны могут взаимодействовать с ядром только после выхода из туннеля. Новое открытие показывает, что такие взаимодействия действительно могут происходить внутри барьера, открывая совершенно новый уровень сложности в нашем понимании туннелирования.
Новая форма передачи энергии внутри туннеля
Что делает это открытие ещё более интригующим, так это механизм, с помощью которого электроны получают энергию во время своего туннелирования. Команда наблюдала, что электроны не только проходили через барьер, но и набирали энергию внутри туннеля. Этот перенос энергии связан с явлением, известным как резонанс Фримена — процессом ионизации, который оказался значительно более интенсивным, чем ранее известные механизмы ионизации.
Интересно, что ионизация оставалась неизменной независимо от изменения интенсивности лазера, что указывает на фундаментальное взаимодействие внутри барьера.
Шаг вперёд в квантовом управлении
Значение этого открытия выходит за рамки фундаментальной науки. Как отметил профессор Ким Дон Эон: «Благодаря этому исследованию мы смогли найти подсказки о том, как электроны ведут себя при прохождении через атомную стену». Он добавил: «Теперь мы наконец можем глубже понять туннелирование и управлять им по своему желанию».
Способность контролировать динамику электронов с такой точностью может революционно повлиять на области, зависящие от процессов туннелирования, такие как квантовые вычисления, проектирование полупроводников и сверхбыстрые лазеры.
Понимание того, как электроны взаимодействуют внутри квантовых барьеров, может позволить создавать новые материалы, которые демонстрируют более эффективное движение электронов, что приведёт к созданию более быстрых и мощных вычислительных систем. Аналогично, возможность контролировать туннелирование может обеспечить более точное управление полупроводниковыми компонентами, прокладывая путь к следующему поколению электронных устройств.