Команда физиков под руководством профессора Дон Ён Кима из POSTECH, работая с коллегами из Института Макса Планка в Германии, совершила прорыв в понимании одной из самых загадочных идей квантовой механики, существующей уже более века: туннелирования электронов. Их исследование, опубликованное в Physical Review Letters, впервые показывает, что на самом деле происходит, когда электроны проходят сквозь барьеры, которые в обычных условиях должны их блокировать.
Туннелирование электронов, являющееся разновидностью квантового туннелирования, — это странный, но вполне реальный эффект, при котором частицы, такие как электроны, проходят через энергетические барьеры, которые, согласно классической физике, они не должны преодолевать. Этот процесс лежит в основе работы полупроводников, питающих смартфоны и компьютеры, а также играет роль в ядерном синтезе — реакции, которая обеспечивает энергией Солнце. До сих пор ученые знали, что происходит до и после туннелирования, но детали того, что происходит внутри барьера, оставались неизвестными.
Для исследования команда использовала мощные лазерные импульсы, чтобы «подтолкнуть» электроны к туннелированию. Результаты оказались неожиданными. Вместо того чтобы просто проскользнуть, электроны фактически снова сталкиваются с атомным ядром, находясь еще внутри барьера. Исследователи назвали этот процесс «переотражением под барьером» (UBR — under-the-barrier recollision). Это открытие бросает вызов давнему убеждению, что электроны взаимодействуют с ядром только после выхода из туннеля.
Исследование было сосредоточено на так называемом неадиабатическом туннелировании при ионизации в сильном поле, протестированном в широком диапазоне лазерных интенсивностей. Модель UBR выходит за рамки старой идеи прямых многофотонных переходов, которая не могла объяснить некоторые особенности туннелирования. Новая модель предсказала два ключевых результата: во-первых, что резонансы Фримена высокого порядка (FR) будут доминировать над ионизацией выше порога в спектрах энергии фотоэлектронов, и во-вторых, что сигнал FR останется неизменным независимо от изменений интенсивности лазера.
Эксперименты подтвердили оба предсказания. Было замечено, что электроны набирают энергию внутри барьера, а затем снова сталкиваются с ядром, что усиливает резонанс Фримена. Это привело к уровням ионизации, значительно более высоким, чем те, что наблюдались в предыдущих процессах, и показало слабую чувствительность к интенсивности лазера. Эти результаты соответствовали модели UBR и дали ученым более четкое представление о динамике туннелирования.
Профессор Ким объяснил важность работы, заявив: «Благодаря этому исследованию мы смогли найти подсказки о том, как ведут себя электроны, проходя сквозь атомную стену», и добавил: «Теперь мы можем, наконец, глубже понять туннелирование и управлять им по нашему желанию».
Это исследование не только решает вековую загадку, но и открывает двери для практических достижений. Лучшее понимание туннелирования может помочь усовершенствовать технологии, которые от него зависят, такие как полупроводники, квантовые компьютеры и сверхбыстрые лазеры. Для энтузиастов технологий вывод прост: понимание того, как ведут себя электроны при туннелировании, может привести к созданию более быстрых, эффективных устройств и новых возможностей в физике, которые когда-то считались невозможными.
Источник: POSTECH, APS Journals
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
