量子隧穿百年谜题破解，关键竟是一次意外碰撞

尽管穿墙传送的想法听起来像是电影情节，但这种现象确实存在于原子世界。这种被称为“量子隧穿”的现象，是指电子穿过其自身能量似乎无法克服的能量壁垒（墙），就像在其中挖掘隧道一样。

该现象是半导体（即智能手机和计算机的核心组件）的运行原理，也是太阳中产生光和能量的核聚变过程所必需的。然而，迄今为止，虽然人们对电子穿过隧穿壁垒前后的情况有所了解，但电子穿越势垒时的确切行为仍不明确。我们知道隧道的入口和出口，但其内部发生的过程始终是个谜。

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. Keitel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实验。结果揭示了一个惊人现象：电子并非简单地穿过势垒，而是在隧道内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”（UBR）。此前学界认为电子只能在离开隧道后与原子核相互作用，但该研究首次证实此类相互作用可在隧道内部发生。

更引人注目的是，在此过程中电子于势垒内部获得能量并再次碰撞原子核，从而增强了所谓的“弗里曼共振”。这种电离现象显著超过以往已知电离过程，且几乎不受激光强度变化的影响。这是现有理论完全无法预测的全新发现。

此项研究具有重大意义，它是世界上首次阐明隧穿过程中电子动力学的成果。预计将为更精确控制电子行为、提升依赖隧穿效应的半导体、量子计算机及超快激光等先进技术的效率提供重要科学基础。

金东彦教授表示：“通过这项研究，我们找到了电子穿越原子壁垒时行为方式的线索”，并补充道：“现在我们终于能更深入地理解隧穿效应，并实现理解隧穿效应，并实现按需控制。”

本研究获得了韩国国家研究基金会和韩国产业技术振兴院能力建设项目的支持。

Journal Reference:

Tsendsuren Khurelbaatar, Michael Klaiber, Suren Sukiasyan, Karen Z. Hatsagortsyan, Christoph H. Keitel, Dong Eon Kim.Unveiling Under-the-Barrier Electron Dynamics in Strong Field Tunneling.Physical Review Letters, 2025; 134 (21) DOI:10.1103/PhysRevLett.134.213201