科學(xué)家們終于更多地了解了電子隧穿現(xiàn)象 藏在CPU、GPU內(nèi)部的百年謎團(tuán)

韓國(guó)浦項(xiàng)工科大學(xué)（POSTECH）金東彥教授領(lǐng)銜的物理學(xué)團(tuán)隊(duì)，與德國(guó)馬普學(xué)會(huì)研究人員合作，在量子力學(xué)最詭異、也是已存在逾百年的核心難題之一——電子隧穿效應(yīng)上取得關(guān)鍵突破，其最新成果已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

研究首次給出了電子在“不可逾越”勢(shì)壘內(nèi)部究竟發(fā)生了什么的物理圖像，為經(jīng)典物理無(wú)法解釋的“穿墻而過(guò)”現(xiàn)象提供了更完整的動(dòng)力學(xué)描述。

所謂電子隧穿，是量子隧穿效應(yīng)的一種具體形式，指電子等粒子能夠穿過(guò)按經(jīng)典物理應(yīng)被完全阻擋的能壘，是半導(dǎo)體器件運(yùn)行的基礎(chǔ)機(jī)制之一，存在于幾乎所有AMD、英特爾、英偉達(dá)等廠商的CPU和GPU內(nèi)部，同時(shí)也與太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)密切相關(guān)。 一百多年來(lái)，科學(xué)界大致了解電子在隧穿前后的狀態(tài)，卻始終無(wú)法“看到”其在勢(shì)壘內(nèi)部的真實(shí)行為，這一缺口長(zhǎng)期制約了對(duì)相關(guān)過(guò)程的精細(xì)控制。

為揭示這一過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)使用超強(qiáng)超短激光脈沖，將原子中的電子強(qiáng)行推入隧穿狀態(tài)，進(jìn)而追蹤其在能壘中的演化軌跡。 出乎傳統(tǒng)認(rèn)知的是，電子并非簡(jiǎn)單地“悄無(wú)聲息穿過(guò)去”，而是在勢(shì)壘內(nèi)部與原子核發(fā)生再次碰撞，這一新發(fā)現(xiàn)被研究者命名為“勢(shì)壘下再碰撞”（under-the-barrier recollision，簡(jiǎn)稱(chēng)UBR）。

此次工作聚焦于強(qiáng)場(chǎng)電離中的非絕熱隧穿過(guò)程，并在寬廣的激光強(qiáng)度范圍內(nèi)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 研究團(tuán)隊(duì)提出的UBR模型突破了以往“直接多光子躍遷”的解釋框架，后者無(wú)法合理說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的一些隧穿特征。 新模型給出了兩項(xiàng)關(guān)鍵預(yù)測(cè)：其一，高階弗里曼共振（Freeman resonances，F(xiàn)R）將在光電子能譜中壓倒性地超過(guò)“閾上電離”信號(hào)；其二，F(xiàn)R信號(hào)對(duì)激光強(qiáng)度變化應(yīng)表現(xiàn)出近乎“平坦”的不敏感性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了上述預(yù)言：電子在勢(shì)壘內(nèi)部獲得額外能量，并在“回頭”撞向原子核時(shí)顯著增強(qiáng)了弗里曼共振，使得電離程度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)過(guò)程，同時(shí)整體信號(hào)對(duì)激光強(qiáng)度變化并不敏感。 這些觀測(cè)與UBR模型高度吻合，為電子隧穿的“內(nèi)部動(dòng)力學(xué)”提供了前所未有的清晰圖像。

金東彥教授在談及研究意義時(shí)表示，通過(guò)本項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)得以捕捉電子“穿過(guò)原子之墻”時(shí)的行為線(xiàn)索，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深了對(duì)隧穿機(jī)制的理解，從而為“按需操控”這一過(guò)程奠定了物理基礎(chǔ)。 他指出，對(duì)隧穿過(guò)程的可控性提升，有望在未來(lái)轉(zhuǎn)化為具體技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)成果既被視為對(duì)百年物理懸而未決問(wèn)題的重要回答，也被認(rèn)為具有明顯的應(yīng)用潛力。 更深入的隧穿機(jī)理理解，有望反饋到依賴(lài)該效應(yīng)的多類(lèi)前沿技術(shù)中，包括智能手機(jī)與PC所依賴(lài)的半導(dǎo)體器件、量子計(jì)算設(shè)備以及超快激光技術(shù)等，從而推動(dòng)電子器件更高速、更高效的發(fā)展，并為原本被視為“不可能”的新型物理方案打開(kāi)空間。