量子隧穿過程新觀測顛覆傳統認知

記者 劉霞

科學家在理解量子力學的基本現象——電子隧穿效應方面取得重大突破。韓國浦項科技大學和德國馬克斯·普朗克研究所的科研團隊合作，首次觀測到電子在量子隧穿過程中的“勢壘內再碰撞”現象，顛覆了“電子僅在穿出勢壘後與原子核相互作用”的傳統認知。這項發表於《物理評論快報》雜誌的最新研究成果，不僅刷新了科學界對量子隧穿現象的理解，還將為半導體、量子計算機及超快激光等依賴量子隧穿效應的技術發展提供新思路。

在量子力學領域，量子隧穿是指電子等微觀粒子能夠穿越經典物理學認為不可逾越的能量勢壘的奇特行為。這種現象猶如“穿牆術”，在經典物理中無法實現，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體（智能手機、計算機等電子設備的核心部件）的工作原理，還是太陽核聚變產生光與能量的關鍵機制。然而百年來，科學家雖能觀測電子隧穿前後的狀態，但對電子穿越勢壘時的具體行為始終知之甚少。

研究團隊此次利用強激光脈衝，誘導原子內的電子發生量子隧穿。他們意外發現，電子並非安靜穿過勢壘，而是會在勢壘內部與原子核發生碰撞。他們將這一現象命名為“勢壘內再碰撞”。傳統理論認為，電子僅在脱離勢壘後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生於勢壘內部。

研究還發現，電子在隧穿過程中會獲得能量並與原子核發生碰撞，產生顯著強化的“弗里曼共振”效應，且該現象不受激光強度變化影響。

這項研究首次闡明瞭隧穿過程的電子動力學，不僅能幫助科學家更精準調控電子行為，還將為半導體、量子計算機等的技術發展提供重要理論支撐。

總編輯圈點

在基礎研究層面，這一成果挑戰了傳統理論，為人們探索微觀世界提供了一個全新維度，從而可能激發更多關於基本粒子行為的研究；而從轉化應用角度來看，這一研究有望極大地促進半導體技術的進步。當前，半導體器件設計依賴於對電子行為的精確控制，而新發現的“勢壘內再碰撞”現象及其相關的能量交換機制，可能為優化現有器件性能、提高效率開闢新途徑。特別是在開發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。