Το κβαντικό τούνελ δεν είναι άδειο: Μια ανακάλυψη που ξεκαθαρίζει έναν αιώνα αβεβαιότητας

Στο επίκεντρο της κβαντικής φυσικής βρίσκεται ένα φαινόμενο που απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και σχεδόν έναν αιώνα: το λεγόμενο «κβαντικό τούνελ». Η ιδέα ότι ένα σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να διαπεράσει ένα φράγμα ενέργειας χωρίς να διαθέτει την απαραίτητη ενέργεια για να το υπερβεί, φαινόταν για πολλά χρόνια περισσότερο σαν σεναριακό εύρημα από ταινία επιστημονικής φαντασίας παρά σαν πραγματικό φυσικό φαινόμενο.

Ωστόσο, στον μικρόκοσμο των ατόμων, αυτό το φαινόμενο, που μοιάζει με τηλεμεταφορά μέσα από «τοίχους», αποτελεί επιβεβαιωμένη πραγματικότητα. Μέχρι πρόσφατα, όμως, ένα κρίσιμο στοιχείο αυτής της διαδικασίας παρέμενε ανεξήγητο. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH) στην Νότια Κορέα κατάφεραν να ρίξουν φως σε μια από τις πιο αινιγματικές πτυχές του κβαντικού τούνελ.

Μέχρι την ανακοίνωση αυτής της μελέτης, η κυρίαρχη αντίληψη ήταν ότι το ηλεκτρόνιο, αφού ξεκινήσει τη διαδικασία διέλευσης μέσω του ενεργειακού φράγματος, παραμένει «σιωπηλό» μέχρι να βγει από το τούνελ και να επανασυνδεθεί με τον πυρήνα του ατόμου. Η εσωτερική πορεία του ηλεκτρονίου θεωρούνταν μέχρι σήμερα μια απλή γραμμική διέλευση, χωρίς παρεμβολές ή αλληλεπιδράσεις.

Η ομάδα, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Dong Eon Kim από το Τμήμα Φυσικής του POSTECH, χρησιμοποίησε εξαιρετικά έντονους παλμούς laser προκειμένου να προκαλέσει και να παρατηρήσει το φαινόμενο του κβαντικού τούνελ σε πραγματικό χρόνο, μέσα σε ατομικά συστήματα.

Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύτηκαν στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, έφεραν στην επιφάνεια μια συμπεριφορά που ανατρέπει την καθιερωμένη θεώρηση. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το ηλεκτρόνιο, κατά τη διάρκεια της διέλευσής του μέσα από το ενεργειακό φράγμα, δεν απλώς διασχίζει τη ζώνη – αλλά μπορεί, υπό ορισμένες συνθήκες, να αναστρέψει την πορεία του, να επανέλθει προς τον πυρήνα του ατόμου και να συγκρουστεί μαζί του πριν τελικά εξέλθει από την άλλη πλευρά του τούνελ.

Αυτό το απρόσμενο φαινόμενο, που οι ερευνητές ονόμασαν "under-the-barrier recollision" (UBR), αλλάζει ριζικά την κατανόησή μας για το πώς συμπεριφέρεται το ηλεκτρόνιο κατά την κβαντική διέλευση. Δεν πρόκειται για απλή λεπτομέρεια, αλλά για φαινόμενο με ορατές και σημαντικές επιπτώσεις.

Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, η επιστημονική ομάδα παρατήρησε ότι αυτή η «αναστροφή εντός του φράγματος» ενισχύει έναν γνωστό μηχανισμό που αποκαλείται «συντονισμός Freeman» (Freeman resonance). Συγκεκριμένα, όταν το ηλεκτρόνιο επιστρέφει και προσκρούει στον πυρήνα από την εσωτερική πλευρά του τούνελ, αποκτά ενέργεια με τρόπο που οδηγεί σε εντονότερη ιονιστική συμπεριφορά, δηλαδή, αποδεσμεύεται από το άτομο με μεγαλύτερη ευκολία και ένταση από ό,τι προβλέπουν τα παραδοσιακά μοντέλα.

Αυτό που εξέπληξε ιδιαίτερα τους επιστήμονες είναι ότι το φαινόμενο φαίνεται να είναι σχεδόν ανεπηρέαστο από τις μεταβολές στην ένταση του laser, γεγονός που δεν μπορεί να εξηγηθεί από τις υπάρχουσες θεωρητικές προσεγγίσεις. Το UBR προσθέτει έναν νέο, μέχρι πρότινος άγνωστο, μηχανισμό ενίσχυσης της ιονιστικής διαδικασίας.

Η αποκάλυψη αυτής της δυναμικής ανοίγει τον δρόμο για νέες δυνατότητες στον έλεγχο της ύλης σε υποατομικό επίπεδο. Η λεπτομερής κατανόηση της συμπεριφοράς του ηλεκτρονίου κατά το κβαντικό τούνελ είναι καθοριστικής σημασίας για την πρόοδο σε τεχνολογίες αιχμής, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, οι υπερσύγχρονοι ημιαγωγοί και τα υπερταχέα laser.

Η έρευνα των επιστημόνων του POSTECH δεν αφορά μόνο τη θεμελιώδη επιστήμη, αλλά παρέχει τις βάσεις για την ανάπτυξη εφαρμογών με υψηλό τεχνολογικό και πρακτικό ενδιαφέρον.

[via]