科学家终于看到电子“隧道”内部的样貌

一组物理学家通过实验揭示了电子在量子隧穿过程中的行为，揭示了一个令人惊讶的内部碰撞过程，挑战了人们长期以来的观念。浦项科技大学物理系金东彦教授与马克斯·普朗克韩国-浦项科技大学合作项目合作，在理解量子力学的基本概念——电子隧穿效应方面取得了重大突破。

他的研究团队首次成功揭示了这一神秘过程的本质，并通过实验观察证实了他们的发现。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上，因解答了一个多世纪以来悬而未决的难题而备受关注。

虽然听起来像科幻小说，但量子世界中的粒子确实可以完成类似隐形传态的壮举。其中一种现象被称为量子隧穿，电子能够穿过它们没有足够的能量克服的能量壁垒（通常被比作墙壁），就像开辟了一条隐藏的路径一样。

这种效应对半导体（智能手机和计算机中的重要组件）的功能至关重要，也是核聚变（为太阳提供能量的反应）的关键。虽然科学家早已知道隧穿效应发生前后会发生什么，但电子穿过势垒本身时的确切行为仍然是个谜。研究人员可以确定这一过程的起点和终点，但其间发生的事情从未被完全理解。

隧道内部的新发现

Kim Dong Eon 教授的团队与德国海德堡马克斯普朗克核物理研究所 CH Keitel 教授的团队合作，进行了一项实验，利用强激光脉冲在原子中引发电子隧穿。

研究结果揭示了一个令人惊讶的现象：电子并非简单地穿过势垒，而是在隧道内再次与原子核碰撞。研究小组将这一过程命名为“势垒下再碰撞”（UBR）。此前，人们一直认为电子只有在离开隧道后才能与原子核发生相互作用，但这项研究首次证实了这种相互作用可以在隧道内发生。

强激光场下电子穿越库仑势垒的时空轨迹。图片来源：浦项科技大学

更耐人寻味的是，在此过程中，电子在势垒内部获得能量，并再次与原子核碰撞，从而增强了所谓的“弗里曼共振”。这种电离程度明显高于此前已知的电离过程，并且几乎不受激光强度变化的影响。这是一个全新的发现，现有理论无法预测。

这项研究意义重大，因为它是世界上首次阐明电子隧穿过程中动力学的研究。它有望为更精确地控制电子行为，并提高依赖于隧穿效应的半导体、量子计算机和超快激光等先进技术的效率提供重要的科学基础。

金东彦教授表示：“通过这项研究，我们能够找到电子穿过原子壁时的行为线索”，并补充道：“现在，我们终于可以更深入地了解隧穿效应并按照我们的意愿控制它。”

编译自/scitechdaily