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量子隧穿過程新觀測顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

2025-07-31 09:15:00

來源:科技日報

原標(biāo)題:量子隧穿過程新觀測顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

科技日報北京7月30日電 (記者劉霞)科學(xué)家在理解量子力學(xué)的基本現(xiàn)象——電子隧穿效應(yīng)方面取得重大突破。韓國浦項科技大學(xué)和德國馬克斯·普朗克研究所的科研團(tuán)隊合作,首次觀測到電子在量子隧穿過程中的“勢壘內(nèi)再碰撞”現(xiàn)象,顛覆了“電子僅在穿出勢壘后與原子核相互作用”的傳統(tǒng)認(rèn)知。這項發(fā)表于《物理評論快報》雜志的最新研究成果,不僅刷新了科學(xué)界對量子隧穿現(xiàn)象的理解,還將為半導(dǎo)體、量子計算機(jī)及超快激光等依賴量子隧穿效應(yīng)的技術(shù)發(fā)展提供新思路。

在量子力學(xué)領(lǐng)域,量子隧穿是指電子等微觀粒子能夠穿越經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為不可逾越的能量勢壘的奇特行為。這種現(xiàn)象猶如“穿墻術(shù)”,在經(jīng)典物理中無法實現(xiàn),因為電子本不具備足夠能量克服勢壘,但在量子世界,電子有一定概率以波的形式穿越勢壘,就像挖了一條隧道一樣。

量子隧穿不僅是半導(dǎo)體(智能手機(jī)、計算機(jī)等電子設(shè)備的核心部件)的工作原理,還是太陽核聚變產(chǎn)生光與能量的關(guān)鍵機(jī)制。然而百年來,科學(xué)家雖能觀測電子隧穿前后的狀態(tài),但對電子穿越勢壘時的具體行為始終知之甚少。

研究團(tuán)隊此次利用強(qiáng)激光脈沖,誘導(dǎo)原子內(nèi)的電子發(fā)生量子隧穿。他們意外發(fā)現(xiàn),電子并非安靜穿過勢壘,而是會在勢壘內(nèi)部與原子核發(fā)生碰撞。他們將這一現(xiàn)象命名為“勢壘內(nèi)再碰撞”。傳統(tǒng)理論認(rèn)為,電子僅在脫離勢壘后才能與原子核相互作用,而該研究首次證實這種相互作用可發(fā)生于勢壘內(nèi)部。

研究還發(fā)現(xiàn),電子在隧穿過程中會獲得能量并與原子核發(fā)生碰撞,產(chǎn)生顯著強(qiáng)化的“弗里曼共振”效應(yīng),且該現(xiàn)象不受激光強(qiáng)度變化影響。

這項研究首次闡明了隧穿過程的電子動力學(xué),不僅能幫助科學(xué)家更精準(zhǔn)調(diào)控電子行為,還將為半導(dǎo)體、量子計算機(jī)等的技術(shù)發(fā)展提供重要理論支撐。

【總編輯圈點】

在基礎(chǔ)研究層面,這一成果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論,為人們探索微觀世界提供了一個全新維度,從而可能激發(fā)更多關(guān)于基本粒子行為的研究;而從轉(zhuǎn)化應(yīng)用角度來看,這一研究有望極大地促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前,半導(dǎo)體器件設(shè)計依賴于對電子行為的精確控制,而新發(fā)現(xiàn)的“勢壘內(nèi)再碰撞”現(xiàn)象及其相關(guān)的能量交換機(jī)制,可能為優(yōu)化現(xiàn)有器件性能、提高效率開辟新途徑。特別是在開發(fā)高效能晶體管和傳感器方面,該研究提供了新的思路和方法。

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