Ученые разгадали вековую загадку, скрывающуюся внутри каждого процессора и видеокарты AMD, Intel, Nvidia

Больше ста лет физики знали, что электрон способен пройти сквозь барьер, который по законам классической физики должен его остановить. Но что именно происходит в момент такого прохода, оставалось почти недосягаемой загадкой. Теперь группа ученых под руководством профессора Дон Ын Кима из POSTECH вместе с коллегами из Института Макса Планка впервые показала, как ведет себя электрон внутри самого барьера.

Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, посвящена туннелированию электронов, одному из самых странных и важных эффектов квантовой механики. Именно на таком процессе держится работа полупроводников, без которых не было бы смартфонов, компьютеров и множества другой современной электроники. Похожий механизм играет роль и в ядерном синтезе, который питает Солнце. До сих пор ученые хорошо понимали, что происходит до туннелирования и после него, но внутреннюю картину процесса приходилось лишь предполагать.

Чтобы заглянуть внутрь квантового барьера, исследователи использовали мощные лазерные импульсы и заставили электроны переходить в режим туннелирования. Результат оказался неожиданным. Вместо спокойного прохождения через барьер электрон, как показали измерения, снова сталкивается с атомным ядром еще до выхода наружу. Авторы назвали такой процесс «реколлизией под барьером» или under-the-barrier recollision, UBR.

Новая картина ломает старое представление, согласно которому повторное взаимодействие электрона с ядром начинается уже после выхода из туннеля. Ученые проверили модель на широком диапазоне лазерных интенсивностей и сосредоточились на так называемом неадиабатическом туннелировании при сильнополевой ионизации. Расчеты показали два ключевых признака нового механизма. Во-первых, в энергетическом спектре фотоэлектронов должны преобладать высокие резонансы Фримена, а не обычная надпороговая ионизация. Во-вторых, сигнал резонансов Фримена должен почти не меняться при изменении интенсивности лазера.

Эксперименты подтвердили оба вывода. Электроны действительно набирали энергию еще внутри барьера, после чего повторно сталкивались с ядром и усиливали резонансы Фримена. Уровень ионизации оказался заметно выше, чем в прежних моделях, а зависимость от интенсивности лазера оставалась слабой. Совпадение теории и эксперимента дало физикам гораздо более ясное понимание динамики туннелирования.

По словам профессора Кима, исследование помогло найти ключ к тому, как электроны ведут себя при прохождении через «атомную стену». Такой результат не только закрывает старый фундаментальный вопрос, но и открывает дорогу к более точному управлению туннельными процессами.

Практическая ценность открытия может оказаться не менее важной, чем научная. Чем лучше физики понимают поведение электронов при туннелировании, тем ближе становятся более быстрые полупроводники, новые подходы к квантовым вычислениям и более совершенные сверхбыстрые лазеры. Квантовый эффект, который долго казался почти мистическим, постепенно превращается в инструмент, которым можно управлять.