Mitä tapahtuu kvanttitunneloinnin sisällä

Äskettäin eräs tutkimusryhmä onnistui ensimmäistä kertaa selvittämään kvanttimekaniikan ydinkäsitteen, elektronitunnelointiprosessin, mysteerin ja vahvistamaan sen kokeilujen kautta.

Tämä tutkimus herättää huomiota avaimena yli 100 vuotta ratkaisemattoman elektronitunnelointiprosessin mysteerin ratkaisemiseen.

Kvanttitunnelointi sisältää elektronien kulkeutumisen energiaesteiden (seinien) läpi, joita ne eivät näennäisesti pysty ylittämään energiallaan, ikään kuin kaivaen tunnelin niiden läpi.

Tämä ilmiö on periaate, jolla puolijohteet toimivat, ja se on myös välttämätön ydinfuusiolle, prosessille, joka tuottaa valoa ja energiaa auringossa. Tähän asti on kuitenkin ollut jonkin verran tietoa siitä, mitä tapahtuu ennen elektronin kulkua tunnelin läpi ja sen jälkeen, mutta elektronin tarkka käyttäytyminen tunnelin läpäistessä on pysynyt epäselvänä.

Professori Kim Dong Eonin tiimi yhdessä professori CH Keitelin tiimin kanssa Max Planck -ydinfysiikan instituutista Heidelbergistä. He suorittivat kokeen, jossa käytettiin voimakkaita laserpulsseja elektronien tunneloinnin indusoimiseksi atomeissa.

Tulokset paljastivat yllättävän ilmiön: elektronit eivät yksinkertaisesti läpäise estettä, vaan törmäävät uudelleen atomin ytimeen tunnelin sisällä. Tutkimusryhmä nimesi tämän prosessin "esteen sisällä tapahtuvaksi törmäykseksi" (UBR). Tähän asti uskottiin, että elektronit voivat olla vuorovaikutuksessa ytimen kanssa vasta tunnelista poistumisen jälkeen, mutta tämä tutkimus vahvisti ensimmäistä kertaa, että tällainen vuorovaikutus voi tapahtua tunnelin sisällä.

Vielä kiehtovampaa on, että tämän prosessin aikana elektronit saavat energiaa esteen sisällä ja törmäävät uudelleen ytimeen, mikä vahvistaa niin sanottua Freemanin resonanssia. Tämä ionisaatio oli merkittävästi suurempaa kuin aiemmin tunnetuissa ionisaatioprosesseissa havaittu, eivätkä laserin intensiteetin muutokset juurikaan vaikuttaneet siihen. Tämä on täysin uusi löytö, jota nykyiset teoriat eivät ole voineet ennustaa.

Tämä tutkimus on merkittävä, koska se on ensimmäinen maailmassa, joka selvittää elektronien dynamiikkaa tunneloinnin aikana. Sen odotetaan tarjoavan tärkeän tieteellisen perustan elektronien käyttäytymisen tarkemmalle hallinnalle ja tehokkuuden parantamiselle edistyneissä teknologioissa, kuten puolijohteissa, kvanttitietokoneissa ja tunnelointiin perustuvissa ultranopeissa lasereissa.

Pohangin yliopiston Kim Dong Eon totesi: ”Tämän tutkimuksen avulla löysimme vihjeitä siitä, miten elektronit käyttäytyvät kulkiessaan atomiseinän läpi”, ja lisäsi: ”Nyt voimme vihdoin ymmärtää tunnelointia syvällisemmin ja hallita sitä haluamallamme tavalla.”

Aiheesta aiemmin:

Muuntaa mikroaaltofotonien virta sähkövirraksi

Kaksiulotteisuudella tehostaen

Kvanttitunnelointi grafeenissa terahertsi-ilmaisimena