Международная команда исследователей провела революционный эксперимент. Используя мощные и очень короткие лазерные импульсы, ученые заставили электроны в атомах туннелировать сквозь энергетический барьер и впервые проследить поведение электронов внутри барьера. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ученые впервые наблюдали, как электроны проходят сквозь «стену»
Ученые из Института POSTECH, Корея и Института ядерной физики Макса Планка, Германия впервые в истории проследили поведение электронов внутри квантового туннеля и обнаружили, что частицы не просто проходят сквозь барьер, но отскакивают и обратно к ядру атома. Эффект квантового туннелирования используется очень широко — от ядерной физики до микроэлектроники, но что происходит с электроном внутри туннеля до сих пор было непонятно.
Электроны не просто прокладывают туннель — они возвращаются назад и врезаются в атомные ядра в середине процесса. Shutterstock
Квантовое туннелирование было описано около ста лет назад советским физиком Георгием Гамовым. Он использовал теорию этого квантового явления для объяснения радиоактивного распада. С тех пор физики знают, что электроны и другие частицы способны проходить сквозь энергетические барьеры, которые они не могут преодолеть классическими способами — буквально пролетать сквозь стену. Этот процесс лежит в основе работы полупроводников (в частности, на этом эффекте основана флэш-память), ядерного синтеза в звездах и множества современных технологий. Однако до недавнего времени оставалось неясным, что именно происходит с электронами внутри туннеля.
Туннельный эффект известен давно, но что происходит в туннеле увидеть не удавалось.
Результаты оказались неожиданными. Электроны продемонстрировали сложное поведение: они разворачиваются внутри туннеля и повторно сталкиваются с атомным ядром. Этот процесс получил название «подбарьерное рассеяние». До этого открытия считалось, что взаимодействие электронов с ядром возможно только после выхода из туннеля.
Электрон внутри туннеля
Обычный и подбарьерный пути электрона
На рисунке (а) изображен обычный механизм возбуждения электрона. Лазер «выбивает» электрон, и поднимает его по энергетическим ступенькам от основного состояния (-Ip) через возбужденное состояние (-Ip*) до полной ионизации, то есть электрон покидает атом.
На рисунке (b) изображен неизвестный ранее механизм с подбарьерным рассеянием. Синяя кривая показывает деформированный кулоновский потенциал под действием лазера. Красные «колокольчики» — это волновые пакеты электрона. Оказывается, электрон может двигаться через туннель разными путями.
Путь 1 (прямое туннелирование): Часть электронного волнового пакета просто проходит через барьер и ионизируется — это обычное туннелирование. Путь 2 (отражение от стенки барьера): А вот этого никто не ожидал. Другая часть волнового пакета отражается от внутренней стенки барьера (показано синей кривой) и возвращается обратно к ядру. Путь 3 (заселение ридберговского состояния): Отраженная часть попадает в промежуточное высоковозбужденное (ридберговское) состояние атома. Путь 4 (вторичная ионизация): Из этого возбужденного состояния происходит повторная ионизация. Двигаясь по Пути 3 электроны еще и разгоняются внутри барьера и усиливают так называемый резонанс Фримана.
Раньше наблюдать тонкий эффект подбарьерного рассеяния было невозможно: барьеры были либо слишком «быстрыми» (физики не успевали увидеть, что происходит внутри), либо слишком «толстыми» (туннелирование было слишком слабым). Только современные фемтосекундные лазеры позволяют создать именно те условия, где можно процесс наблюдаем и достаточно интенсивен для измерения.
Исследование имеет фундаментальное значение для понимания квантовой механики и открывает новые возможности для технологических применений. Более точное понимание поведения электронов в туннелях может привести к созданию более эффективных полупроводников, квантовых компьютеров и сверхбыстрых лазеров.