Vedcom sa po prvýkrát podarilo nahliadnuť do procesu kvantového tunelovania elektrónov, javu, ktorý mätie fyzikov už vyše sto rokov a patrí medzi základné piliere kvantovej mechaniky. Prelomový výskum zrealizoval tím z kórejskej univerzity POSTECH (Pohang University of Science and Technology), ktorý pomocou extrémne silných laserových impulzov prenikol hlbšie do správania elektrónov počas prechodu cez Coulombovu bariéru, informuje Interesting Engineering.

Prešli za hranice reality

Znie to ako z vedecko-fantastického filmu. Elektrón sa totiž pri kvantovom tunelovaní dokáže doslova „prešmyknúť“ cez energetickú prekážku, ktorú by podľa klasickej fyziky nikdy nemal prekonať. V kvantovom svete sa však javí, akoby sa elektrón prekopal tunelom a objavil na druhej strane.

Doteraz sa predpokladalo, že elektrón interaguje s atómovým jadrom až po tom, čo tunel opustí. Nový experimentálny dôkaz z POSTECH však ukazuje niečo celkom iné. Elektróny počas prechodu cez bariéru narážajú do jadra ešte vo vnútri tunela. Vedci tento jav nazvali „rekolízia pod bariérou“ (under-the-barrier recollision – UBR).

Profesor Dong Eon Kim z Katedry fyziky na POSTECH vysvetlil: „Vďaka tejto štúdii sme dokázali získať stopy o tom, ako sa elektróny správajú pri prechode cez atómovú stenu.“ Tento objav predstavuje zásadnú zmenu v chápaní jedného z najzáhadnejších javov kvantovej fyziky.

Midjourney/Úprava redakcie

Freemanova rezonancia a nový model

Štúdia, publikovaná v prestížnom časopise Physical Review Letters, ukazuje, že počas procesu UBR elektróny nielen prechádzajú cez prekážku, ale získavajú energiu v jej vnútri a následne opakovane narážajú do jadra. Tento mechanizmus výrazne zosilňuje Freemanovu rezonanciu, ionizačný jav, ktorý je pri tradičných procesoch slabší.

Prekvapivé bolo aj zistenie, že výsledná ionizácia nezávisí od intenzity laserového poľa. Tento fakt je v priamom rozpore s doterajšími teóriami. Výskumníci preto upravili klasický model silnopolnej aproximácie (SFA), ktorý sa bežne používa na opis tunelovania.

Nová verzia modelu zohľadňuje rekolidujúce elektróny pod bariérou a odhalila niekoľko pozoruhodných vlastností Freemanových rezonancií. Predovšetkým ich dominanciu nad tzv. ionizáciou nad prahom (above-threshold ionization – ATI), ich trvanie aj pri vyšších rádoch a stabilitu voči zmenám intenzity laserového lúča.

Výsledky menia náš pohľad na procesy v mikrosvete počas ultrarýchlej ionizácie. Otvárajú nové možnosti pre vývoj technológií v oblasti polovodičov, kvantových počítačov či ultrarýchlych laserových systémov, ktoré fungujú práve na princípe tunelovania.

Vedci zdôraznili, že objavené vlastnosti Freemanových rezonancií podčiarkujú potrebu prepracovania teoretických modelov. Treba presnejšie pochopiť správanie elektrónov v stredne a vysoko intenzívnych poliach, vrátane úlohy atómového potenciálu a korelácií viacerých elektrónov. Nové poznatky tak nielen rozširujú naše chápanie kvantového sveta, ale zároveň vytvárajú pevný základ pre inovatívne aplikácie v budúcnosti.