Команда ученых из Южной Кореи под руководством профессора Дон Ион Кима из физического департамента Университета POSTECH совместно с коллегами из Института ядерной физики общества Макса Планка в Германии смогла не только наблюдать сам процесс туннелирования, но и выявить новый, ранее неизвестный этап в поведении электрона при прохождении энергетического барьера. Результаты этого исследования могут стать ключом к пониманию квантовых процессов, которые оставались неразгаданными на протяжении более чем ста лет.
Явление квантового туннелирования, при котором частица — в данном случае электрон — преодолевает энергетический барьер, который, казалось бы, невозможно преодолеть с точки зрения классической физики, лежит в основе работы большинства современных технологий — от полупроводников до квантовых вычислений. Несмотря на то что ученые давно знают о существовании этого эффекта, им до сих пор было неизвестно, как именно ведет себя электрон внутри барьера: вход и выход экспериментально фиксировались, но «внутренности» туннеля оставались недоступны для наблюдения.
Чтобы раскрыть этот процесс, физики спровоцировали туннелирование электронов в атомах при помощи мощных лазерных импульсов. И здесь обнаружилось нечто удивительное: оказалось, что электрон, двигаясь сквозь энергетический барьер, взаимодействует с атомным ядром еще внутри самого туннеля, а не только после его прохождения, как считалось ранее. Это явление получило название «реколлизия под барьером» (under-the-barrier recollision, UBR). Такой эффект никогда ранее не фиксировался и не моделировался существующими теориями.
Более того, оказалось, что во время реколлизии электрон не только взаимодействует с ядром, но и приобретает дополнительную энергию, что усиливает так называемый «резонанс Фримена» — особый тип ионизации, который значительно превышает по своей интенсивности все ранее наблюдаемые процессы. Этот резонанс оказался практически нечувствителен к изменениям мощности лазерного излучения, что делает его крайне стабильным и потенциально полезным для практического применения.
Работа команды профессора Кима стала первым в мире экспериментальным подтверждением динамики электрона во время туннелирования. Это открытие дает новое понимание фундаментальных процессов, происходящих на квантовом уровне, и может лечь в основу усовершенствования технологий будущего — квантовых компьютеров, передовых полупроводников и сверхбыстрых лазеров, где точный контроль за поведением электронов особенно важен.
Как отметил сам профессор Ким, благодаря этим экспериментам ученые наконец приблизились к пониманию того, что происходит с электроном, когда он «пролезает сквозь стену» — энергетический барьер атома. Теперь ученые собираются не только наблюдать, но и научиться управлять туннелированием.
Ранее физики взломали криптографический код квантового превосходства.
