Учёные разобрались, как работает туннелирование электронов

Группа физиков под руководством профессора Дон Ён Кима из POSTECH в сотрудничестве с коллегами из Института Макса Планка в Германии добилась прорыва в понимании одного из самых загадочных явлений квантовой механики, известного уже более века: туннелирования электронов. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, в начальный раз демонстрирует, что на самом деле происходит, когда электроны проходят через барьеры, которые в норме должны их блокировать.

Туннелирование электронов — разновидность квантового туннелирования (или туннельного эффекта) — представляет собой странный, но вполне реальный эффект, при котором частицы, такие как электроны, проходят через энергетические барьеры, которые, согласно классической физике, они не должны преодолевать. Этот процедура лежит в основе работы полупроводников, которые питают смартфоны и компьютеры, а также играет роль в ядерном синтезе — реакции, питающей звёзды. До сих пор учёные знали только то, что происходит до и после туннелирования, но детали того, что происходит внутри барьера, оставались неизвестными.

Чтобы это исследовать, команда использовала мощные лазерные импульсы, чтобы заставить электроны пройти через туннель. Удивительно, но оказалось, что вместо того, чтобы просто преодолеть барьер, электроны повторно сталкиваются с атомным ядром, находясь ещё внутри барьера. Исследователи назвали этот процедура «повторным столкновением под барьером» (under-the-barrier recollision, UBR). Это открытие бросает вызов представлению о том, что электроны взаимодействуют с ядром атома только после выхода из туннеля.

В процессе исследования основное внимание уделялось так называемому неадиабатическому туннелированию при ионизации в сильном поле ввода, которое проверялось в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения. Схема UBR выходит за рамки более старой концепции прямых многофотонных переходов, которая не могла объяснить некоторые особенности туннелирования. Новая модель предсказывала два ключевых результата: во-первых, что резонансы Фримана высокого порядка будут доминировать над надпороговой ионизацией в энергетических спектрах фотоэлектронов, и, во-вторых, что сигнал 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 Фримана. Это привело к уровням ионизации, значительно превышающим те, что наблюдались в предыдущих процессах, и продемонстрировало низкую чувствительность к интенсивности лазера. Эти результаты соответствовали модели UBR, а заодно дали учёным более чёткое представление о динамике туннелирования.

Это исследование не только разгадывает вековую загадку, но и открывает путь к практическим достижениям. Более глубокое понимание туннельного эффекта может способствовать совершенствованию технологий, основанных на нём, таких как полупроводники, квантовые компьютеры и сверхбыстрые лазеры. Для любителей технологий вывод очевиден: понимание поведения электронов при туннелировании может привести к созданию более быстрых и эффективных устройств, а также открыть новые возможности в физике.