科学家们终于更多地了解了电子隧穿现象 藏在CPU、GPU内部的百年谜团

韩国浦项工科大学（POSTECH）金东彦教授领衔的物理学团队，与德国马普学会研究人员合作，在量子力学最诡异、也是已存在逾百年的核心难题之一——电子隧穿效应上取得关键突破，其最新成果已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

研究首次给出了电子在“不可逾越”势垒内部究竟发生了什么的物理图像，为经典物理无法解释的“穿墙而过”现象提供了更完整的动力学描述。

所谓电子隧穿，是量子隧穿效应的一种具体形式，指电子等粒子能够穿过按经典物理应被完全阻挡的能垒，是半导体器件运行的基础机制之一，存在于几乎所有AMD、英特尔、英伟达等厂商的CPU和GPU内部，同时也与太阳内部的核聚变反应密切相关。 一百多年来，科学界大致了解电子在隧穿前后的状态，却始终无法“看到”其在势垒内部的真实行为，这一缺口长期制约了对相关过程的精细控制。

为揭示这一过程，研究团队使用超强超短激光脉冲，将原子中的电子强行推入隧穿状态，进而追踪其在能垒中的演化轨迹。 出乎传统认知的是，电子并非简单地“悄无声息穿过去”，而是在势垒内部与原子核发生再次碰撞，这一新发现被研究者命名为“势垒下再碰撞”（under-the-barrier recollision，简称UBR）。

此次工作聚焦于强场电离中的非绝热隧穿过程，并在宽广的激光强度范围内展开实验测试。 研究团队提出的UBR模型突破了以往“直接多光子跃迁”的解释框架，后者无法合理说明实验中观测到的一些隧穿特征。 新模型给出了两项关键预测：其一，高阶弗里曼共振（Freeman resonances，FR）将在光电子能谱中压倒性地超过“阈上电离”信号；其二，FR信号对激光强度变化应表现出近乎“平坦”的不敏感性。

实验结果证实了上述预言：电子在势垒内部获得额外能量，并在“回头”撞向原子核时显著增强了弗里曼共振，使得电离程度远高于传统过程，同时整体信号对激光强度变化并不敏感。 这些观测与UBR模型高度吻合，为电子隧穿的“内部动力学”提供了前所未有的清晰图像。

金东彦教授在谈及研究意义时表示，通过本项研究，团队得以捕捉电子“穿过原子之墙”时的行为线索，并在此基础上进一步加深了对隧穿机制的理解，从而为“按需操控”这一过程奠定了物理基础。 他指出，对隧穿过程的可控性提升，有望在未来转化为具体技术优势。

这项成果既被视为对百年物理悬而未决问题的重要回答，也被认为具有明显的应用潜力。 更深入的隧穿机理理解，有望反馈到依赖该效应的多类前沿技术中，包括智能手机与PC所依赖的半导体器件、量子计算设备以及超快激光技术等，从而推动电子器件更高速、更高效的发展，并为原本被视为“不可能”的新型物理方案打开空间。