Một nhóm vật lý do Giáo sư Kim Dong-yeon của Viện Công nghệ Pohang (POSTECH) ở Hàn Quốc dẫn đầu, hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Hiệp hội Max Planck ở Đức, đã đạt được bước đột phá quan trọng trong hiệu ứng đường hầm điện tử, bài toán kỳ lạ nhất trong cơ học lượng tử và là một trong những bài toán cốt lõi đã tồn tại hơn một trăm năm. Kết quả mới nhất của nó đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Nghiên cứu cung cấp bức tranh vật lý đầu tiên về những gì xảy ra với các electron bên trong hàng rào thế năng "không thể xuyên thủng", cung cấp mô tả động đầy đủ hơn về hiện tượng "đi xuyên qua tường" mà vật lý cổ điển không thể giải thích được.

Cái gọi là đường hầm điện tử là một dạng cụ thể của hiệu ứng đường hầm lượng tử, có nghĩa là các hạt như electron có thể đi qua Hàng rào năng lượng cần bị chặn hoàn toàn bởi vật lý cổ điển là một trong những cơ chế cơ bản cho hoạt động của các thiết bị bán dẫn. Nó tồn tại bên trong CPU và GPU của hầu hết các nhà sản xuất AMD, Intel, Nvidia và các nhà sản xuất khác. Nó cũng liên quan chặt chẽ đến phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong mặt trời. Trong hơn một trăm năm, cộng đồng khoa học đã hiểu đại khái về trạng thái của các electron trước và sau khi đào hầm, nhưng chưa bao giờ có thể “nhìn thấy” hành vi thực sự của chúng bên trong hàng rào thế năng. Khoảng cách này từ lâu đã hạn chế việc kiểm soát tốt các quy trình liên quan.

Để khám phá quá trình này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các xung laser cực mạnh và cực ngắn để ép các electron trong nguyên tử vào trạng thái chui hầm, sau đó theo dõi sự tiến hóa của chúng trong hàng rào năng lượng. Ngược lại với kiến ​​thức truyền thống, các electron không chỉ đơn giản “đi qua một cách im lặng” mà lại va chạm với hạt nhân nguyên tử bên trong hàng rào. Phát hiện mới này được các nhà nghiên cứu đặt tên là “sự hồi tưởng dưới rào cản” (UBR).

Công việc này tập trung vào quá trình tạo đường hầm không đoạn nhiệt trong quá trình ion hóa trường mạnh và tiến hành các thử nghiệm thử nghiệm trong phạm vi cường độ laser rộng. Mô hình UBR do nhóm nghiên cứu đề xuất đã phá vỡ khuôn khổ giải thích trước đây về “sự chuyển đổi đa photon trực tiếp”, không thể giải thích một cách hợp lý một số đặc điểm xuyên hầm quan sát được trong các thí nghiệm. Mô hình mới đưa ra hai dự đoán chính: thứ nhất, cộng hưởng Freeman (FR) bậc cao sẽ vượt quá tín hiệu “ion hóa siêu ngưỡng” trong phổ năng lượng quang điện tử; thứ hai, tín hiệu FR sẽ thể hiện sự vô cảm gần như "phẳng" trước những thay đổi về cường độ laser.

Kết quả thí nghiệm đã xác nhận dự đoán trên: các electron thu thêm năng lượng bên trong hàng rào và tăng cường đáng kể cộng hưởng Freeman khi "quay ngược" để chạm vào hạt nhân, khiến mức độ ion hóa cao hơn nhiều so với quy trình truyền thống và tín hiệu tổng thể không nhạy cảm với sự thay đổi cường độ laser. Những quan sát này hoàn toàn phù hợp với mô hình UBR, cung cấp một bức tranh rõ ràng chưa từng có về “động lực bên trong” của sự chui hầm electron.

Khi nói về tầm quan trọng của nghiên cứu, Giáo sư Jin Dongyan cho biết thông qua nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu có thể nắm bắt được manh mối hành vi của các electron khi chúng "đi xuyên qua bức tường nguyên tử", đồng thời nâng cao hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế đào hầm trên cơ sở này, từ đó đặt nền tảng vật lý cho quá trình "điều khiển theo yêu cầu". Ông chỉ ra rằng khả năng kiểm soát được cải thiện của quá trình đào hầm dự kiến ​​sẽ được chuyển thành những lợi thế kỹ thuật cụ thể trong tương lai.

Thành tựu này không chỉ được coi là câu trả lời quan trọng cho một bài toán vật lý tồn tại hàng thế kỷ chưa được giải quyết mà còn được coi là có tiềm năng ứng dụng rõ ràng. Sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế đào hầm dự kiến ​​sẽ cung cấp thông tin phản hồi cho nhiều loại công nghệ tiên tiến dựa vào hiệu ứng này, bao gồm các thiết bị bán dẫn, thiết bị điện toán lượng tử và công nghệ laser cực nhanh mà điện thoại thông minh và PC dựa vào, từ đó thúc đẩy sự phát triển nhanh hơn và hiệu quả hơn của các thiết bị điện tử và mở ra không gian cho các giải pháp vật lý mới mà ban đầu được coi là “không thể”.