量子隧穿百年谜题终破解——竟源于一次意外粒子碰撞

尽管穿墙瞬移的想法听起来像是电影情节，但这种现象实际上在原子世界中发生。这种现象被称为“量子隧穿”，指的是电子穿越它们凭借自身能量似乎无法克服的能量势垒（墙），如同在墙中挖掘隧道一般。

这种现象是半导体（即智能手机和计算机的核心组件）运行的原理，也是核聚变（太阳产生光和能量的过程）不可或缺的。然而，迄今为止，尽管人们对电子穿过隧道前后发生的情况有一定了解，但电子穿越势垒时的确切行为仍不清楚。我们知道隧道的入口和出口，但其内部发生的事一直是个谜。

金东彦教授团队与德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的 C. H. 凯特尔教授团队合作，利用强激光脉冲诱导原子中的电子隧穿进行了一项实验。结果揭示了一个令人惊讶的现象：电子并非简单地穿过势垒，而是在隧道内部再次与原子核发生碰撞。研究团队将这一过程命名为“势垒内再碰撞”。在此之前，人们认为电子只能在离开隧道后与原子核相互作用，但这项研究首次证实此类相互作用可以在隧道内部发生。

更有趣的是，在此过程中，电子在势垒内获得能量并再次与原子核碰撞，从而增强了所谓的“弗里曼共振”。这种电离显著强于先前已知的电离过程所观察到的程度，并且几乎不受激光强度变化的影响。这是一个现有理论无法预测的全新发现。

这项研究意义重大，因为它是世界上首次阐明隧穿过程中电子的动力学行为。预计将为更精确地控制电子行为，以及提高依赖隧穿效应的半导体、量子计算机和超快激光器等先进技术的效率提供重要的科学基础。

金东彦教授表示：“通过这项研究，我们找到了关于电子在穿过原子墙时如何行为的线索，”并补充道：“现在，我们终于能够更深入地理解隧穿效应，并如愿控制它。”

与此同时，这项研究得到了韩国国家研究基金会和韩国技术人才振兴院能力发展项目的支持。