Екип от физици, ръководен от проф. Донг Еон Ким от Университета за наука и технологии в Похан в сътрудничество с колеги от Института „Макс Планк“ в Германия, постигна пробив в разбирането на една от най-загадъчните идеи на квантовата механика, която съществува от повече от век: тунелирането на електрони. Тяхното проучване, публикувано в сп. Physical Review Letters, показва за първи път какво всъщност се случва, когато електрони преминават през бариери, които по принцип би трябвало да ги блокират.

Електронният тунелинг, който е вид квантов тунелинг, е странен, но много реален ефект, при който частици като електрони преминават през енергийни бариери, които според класическата физика не би трябвало да могат да пресекат. Този процес е в основата на функционирането на полупроводниците, които захранват смартфоните и компютрите, и играе роля и в ядрения синтез – реакцията, която захранва Слънцето. Досега учените знаеха само какво се случва преди и след тунелирането, но подробностите за това, което се случва вътре в бариерата, оставаха неизвестни.

За да проучи това, екипът използва мощни лазерни импулси, за да предизвика тунелиране на електрони. Това, което откриха, беше изненадващо. Вместо просто да се промъкнат през бариерата, електрони всъщност се сблъскват отново с атомното ядро, докато все още се намират вътре в нея. Изследователите нарекоха този процес „повторна сблъсък под бариерата“ (UBR). Това откритие опровергава дългогодишното убеждение, че електрони взаимодействат с ядрото едва след като напуснат тунела.

Проучването се фокусира върху т.нар. неадиабатичен тунелинг при йонизация в силно поле, тестван при широк диапазон от лазерни интензитети. Моделът UBR надхвърля по-старата идея за директни многофотонни преходи, която не можеше да обясни някои характеристики на тунелирането. Новият модел предсказа два ключови резултата: първо, че резонансите на Фриман (FR) от висок ред ще доминират над йонизацията над прага в енергийните спектри на фотоелектроните, и второ, че сигналът на FR ще остане равен, независимо от промените в интензитета на лазера.

Експериментите потвърдиха и двете предсказания. Беше наблюдавано, че електроните набират енергия вътре в бариерата и след това отново се сблъскват с ядрото, което засилваше резонанса на Фриман. Това доведе до нива на йонизация, значително по-високи от наблюдаваните в по-ранни процеси, и показа слаба чувствителност към интензитета на лазера. Тези резултати съответстваха на модела UBR и дадоха на учените по-ясна представа за динамиката на тунелирането.

Проф. Ким обясни важността на работата, като каза: „Чрез това проучване успяхме да намерим улики за това как се държат електроните, когато преминават през атомната стена“ и добави: „Сега най-накрая можем да разберем тунелирането по-задълбочено и да го контролираме както желаем.“

Това изследване не само разкрива вековна загадка, но и отваря вратата към практически постижения. По-доброто разбиране на тунелирането може да помогне за усъвършенстването на технологиите, които зависят от него, като полупроводници, квантови компютри и ултрабързи лазери. За ентусиастите в областта на технологиите изводът е прост: разбирането на поведението на електроните при тунелирането може да доведе до по-бързи и по-ефективни устройства, както и до нови възможности във физиката, които някога са се смятали за невъзможни.

Снимка: Unsplash

Виж още: Чудо на емулацията: Телефон за 1700 долара с течно охлаждане подкарва някои от най-тежките игри с високи настройки