Учёные разобрались, как работает туннелирование электронов

Группа физиков под руководством профессора Дон Ён Кима из POSTECH в сотрудничестве с коллегами из Института Макса Планка в Германии добилась прорыва в понимании одного из самых загадочных явлений квантовой механики, известного уже более века: туннелирования электронов. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, впервые показывает, что на самом деле происходит, когда электроны проходят через барьеры, которые в норме должны их блокировать.

Туннелирование электронов — разновидность квантового туннелирования (или туннельного эффекта) — представляет собой странный, но вполне реальный эффект, при котором частицы, такие как электроны, проходят через энергетические барьеры, которые, согласно классической физике, они не должны преодолевать. Этот процесс лежит в основе работы полупроводников, которые питают смартфоны и компьютеры, а также играет роль в ядерном синтезе — реакции, питающей звёзды. До сих пор учёные знали только то, что происходит до и после туннелирования, но детали того, что происходит внутри барьера, оставались неизвестными.

Чтобы это исследовать, команда использовала мощные лазерные импульсы, чтобы заставить электроны пройти через туннель. Удивительно, но оказалось, что вместо того, чтобы просто преодолеть барьер, электроны повторно сталкиваются с атомным ядром, находясь ещё внутри барьера. Исследователи назвали этот процесс «повторным столкновением под барьером» (under-the-barrier recollision, UBR). Это открытие бросает вызов представлению о том, что электроны взаимодействуют с ядром атома только после выхода из туннеля.

В ходе исследования основное внимание уделялось так называемому неадиабатическому туннелированию при ионизации в сильном поле, которое проверялось в широком диапазоне