量子隧穿过程新观测颠覆传统认知

记者 刘霞

科学家在理解量子力学的基本现象——电子隧穿效应方面取得重大突破。韩国浦项科技大学和德国马克斯·普朗克研究所的科研团队合作，首次观测到电子在量子隧穿过程中的“势垒内再碰撞”现象，颠覆了“电子仅在穿出势垒后与原子核相互作用”的传统认知。这项发表于《物理评论快报》杂志的最新研究成果，不仅刷新了科学界对量子隧穿现象的理解，还将为半导体、量子计算机及超快激光等依赖量子隧穿效应的技术发展提供新思路。

在量子力学领域，量子隧穿是指电子等微观粒子能够穿越经典物理学认为不可逾越的能量势垒的奇特行为。这种现象犹如“穿墙术”，在经典物理中无法实现，因为电子本不具备足够能量克服势垒，但在量子世界，电子有一定概率以波的形式穿越势垒，就像挖了一条隧道一样。

量子隧穿不仅是半导体（智能手机、计算机等电子设备的核心部件）的工作原理，还是太阳核聚变产生光与能量的关键机制。然而百年来，科学家虽能观测电子隧穿前后的状态，但对电子穿越势垒时的具体行为始终知之甚少。

研究团队此次利用强激光脉冲，诱导原子内的电子发生量子隧穿。他们意外发现，电子并非安静穿过势垒，而是会在势垒内部与原子核发生碰撞。他们将这一现象命名为“势垒内再碰撞”。传统理论认为，电子仅在脱离势垒后才能与原子核相互作用，而该研究首次证实这种相互作用可发生于势垒内部。

研究还发现，电子在隧穿过程中会获得能量并与原子核发生碰撞，产生显著强化的“弗里曼共振”效应，且该现象不受激光强度变化影响。

这项研究首次阐明了隧穿过程的电子动力学，不仅能帮助科学家更精准调控电子行为，还将为半导体、量子计算机等的技术发展提供重要理论支撑。

总编辑圈点

在基础研究层面，这一成果挑战了传统理论，为人们探索微观世界提供了一个全新维度，从而可能激发更多关于基本粒子行为的研究；而从转化应用角度来看，这一研究有望极大地促进半导体技术的进步。当前，半导体器件设计依赖于对电子行为的精确控制，而新发现的“势垒内再碰撞”现象及其相关的能量交换机制，可能为优化现有器件性能、提高效率开辟新途径。特别是在开发高效能晶体管和传感器方面，该研究提供了新的思路和方法。