科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

科學(xué)家在理解量子力學(xué)的基本現(xiàn)象——電子隧穿效應(yīng)方面取得重大突破。韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)和德國(guó)馬克斯·普朗克研究所的科研團(tuán)隊(duì)合作，首次觀測(cè)到電子在量子隧穿過(guò)程中的“勢(shì)壘內(nèi)再碰撞”現(xiàn)象，顛覆了“電子僅在穿出勢(shì)壘后與原子核相互作用”的傳統(tǒng)認(rèn)知。這項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》雜志的最新研究成果，不僅刷新了科學(xué)界對(duì)量子隧穿現(xiàn)象的理解，還將為半導(dǎo)體、量子計(jì)算機(jī)及超快激光等依賴量子隧穿效應(yīng)的技術(shù)發(fā)展提供新思路。

在量子力學(xué)領(lǐng)域，量子隧穿是指電子等微觀粒子能夠穿越經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為不可逾越的能量勢(shì)壘的奇特行為。這種現(xiàn)象猶如“穿墻術(shù)”，在經(jīng)典物理中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娮颖静痪邆渥銐蚰芰靠朔?shì)壘，但在量子世界，電子有一定概率以波的形式穿越勢(shì)壘，就像挖了一條隧道一樣。

量子隧穿不僅是半導(dǎo)體（智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的核心部件）的工作原理，還是太陽(yáng)核聚變產(chǎn)生光與能量的關(guān)鍵機(jī)制。然而百年來(lái)，科學(xué)家雖能觀測(cè)電子隧穿前后的狀態(tài)，但對(duì)電子穿越勢(shì)壘時(shí)的具體行為始終知之甚少。

研究團(tuán)隊(duì)此次利用強(qiáng)激光脈沖，誘導(dǎo)原子內(nèi)的電子發(fā)生量子隧穿。他們意外發(fā)現(xiàn)，電子并非安靜穿過(guò)勢(shì)壘，而是會(huì)在勢(shì)壘內(nèi)部與原子核發(fā)生碰撞。他們將這一現(xiàn)象命名為“勢(shì)壘內(nèi)再碰撞”。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，電子僅在脫離勢(shì)壘后才能與原子核相互作用，而該研究首次證實(shí)這種相互作用可發(fā)生于勢(shì)壘內(nèi)部。

研究還發(fā)現(xiàn)，電子在隧穿過(guò)程中會(huì)獲得能量并與原子核發(fā)生碰撞，產(chǎn)生顯著強(qiáng)化的“弗里曼共振”效應(yīng)，且該現(xiàn)象不受激光強(qiáng)度變化影響。

這項(xiàng)研究首次闡明了隧穿過(guò)程的電子動(dòng)力學(xué)，不僅能幫助科學(xué)家更精準(zhǔn)調(diào)控電子行為，還將為半導(dǎo)體、量子計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展提供重要理論支撐。

總編輯圈點(diǎn)

在基礎(chǔ)研究層面，這一成果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論，為人們探索微觀世界提供了一個(gè)全新維度，從而可能激發(fā)更多關(guān)于基本粒子行為的研究；而從轉(zhuǎn)化應(yīng)用角度來(lái)看，這一研究有望極大地促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前，半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)依賴于對(duì)電子行為的精確控制，而新發(fā)現(xiàn)的“勢(shì)壘內(nèi)再碰撞”現(xiàn)象及其相關(guān)的能量交換機(jī)制，可能為優(yōu)化現(xiàn)有器件性能、提高效率開(kāi)辟新途徑。特別是在開(kāi)發(fā)高效能晶體管和傳感器方面，該研究提供了新的思路和方法。