Научное сообщество стало свидетелем одного из самых впечатляющих открытий в области квантовой механики за последнее столетие. Группа физиков из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) при поддержке Института ядерной физики Макса Планка впервые наблюдала поведение электрона в процессе квантового туннелирования, заглянув внутрь самого туннеля. Это достижение не только решает одну из старейших теоретических загадок квантовой физики, но и открывает новые горизонты в технологиях, основанных на управлении электронными потоками.
Квантовое туннелирование — это фундаментальное явление, при котором частица, не обладая достаточной энергией, всё же преодолевает потенциальный барьер. Этот эффект — неотъемлемая часть работы полупроводников, туннельных диодов, квантовых точек и лазеров, а также ключевой процесс, участвующий в ядерном синтезе, происходящем в звёздах. До сегодняшнего дня физикам удавалось описывать только вход и выход частицы из туннеля, однако процесс внутри оставался скрытым за математическими вероятностями.
В новом эксперименте учёные использовали мощные лазерные импульсы для создания условий, при которых электрон в атоме туннелирует сквозь кулоновский барьер. Что по-настоящему удивительно — электрон не просто проходил сквозь барьер, а взаимодействовал с ядром в процессе движения под ним. Этот феномен получил название «under-the-barrier recollision» (UBR) — повторное столкновение под барьером.
Оказалось, что внутри туннеля электрон накапливает дополнительную энергию и возвращается к ядру, вызывая усиленный резонансный отклик, известный как резонанс Фримена. Интенсивность этой ионизации оказалась значительно выше, чем в ранее описанных механизмах. Более того, она почти не зависела от изменения интенсивности лазерного поля, что противоречит традиционным моделям.
Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, знаменует собой сдвиг в нашем понимании квантовой динамики. Оно показывает, что в туннелировании участвует сложная внутренняя структура процессов — не просто переход из точки А в точку Б, а активное взаимодействие внутри потенциального барьера. Это делает старые модели неполными и требует пересмотра существующих теорий.
Понимание этой «внутренней жизни» электрона даёт реальный инструмент для управления квантовыми состояниями частиц. Это может существенно повлиять на разработку более чувствительных квантовых сенсоров, эффективных источников когерентного света, а также ускорить развитие квантовых вычислений и энергоэффективных электронных компонентов. К примеру, в полупроводниках, где туннелирование определяет работу транзисторов на нанометровом уровне, возможность «подстроить» траекторию электрона на основе UBR может привести к созданию логических элементов с минимальными энергетическими потерями.
Современные эксперименты, подобные этому, постепенно превращают то, что ещё недавно считалось философской категорией квантовой вероятности, в контролируемую и измеряемую реальность. Это позволяет перейти от наблюдателя к создателю в квантовом масштабе — шаг, необходимый для перехода от фундаментальной науки к прикладной квантовой инженерии. Впервые за долгое время физики получили возможность не только наблюдать, но и влиять на то, что происходит в квантовом пространстве «между» событиями.