Trong thế giới vật lý cổ điển, một vật thể không thể đi xuyên qua một bức tường nếu không có đủ năng lượng để vượt qua nó. Tuy nhiên, ở cấp độ lượng tử, quy luật này không còn tuyệt đối. Đây cũng chính là một trong những hiện tượng kỳ lạ nhất của vật lý lượng tử khi các electron có thể xuyên qua những rào cản năng lượng như vậy – một hiện tượng còn được gọi là hầm lượng tử (quantum tunneling).
Hiện tượng này chính là nền tảng cho công nghệ bán dẫn hiện nay, khi nó cho phép các transistor hoạt động và tạo nên sức mạnh tính toán của những con chip hiện đại. Nói cách khác, mọi bộ xử lý trong máy tính và smartphone ngày nay – từ các sản phẩm của Intel, AMD đến NVIDIA – đều phụ thuộc vào hiện tượng hầm lượng tử ở cấp độ vi mô.
Dù đóng vai trò thiết yếu như vậy, hầm lượng tử lại là một trong những hiện tượng bí ẩn nhất của vật lý hiện đại. Suốt hơn một thế kỷ kể từ khi cơ học lượng tử ra đời, các nhà khoa học chỉ có thể quan sát electron trước khi “xuyên hầm” và sau khi nó xuất hiện ở phía bên kia rào cản. Những gì thực sự xảy ra bên trong vùng “bị cấm” này gần như không thể quan sát trực tiếp và vẫn là câu hỏi bỏ ngỏ.
Nghiên cứu mới do nhóm nhà khoa học tại POSTECH (Hàn Quốc) phối hợp với Viện Max Planck (Đức) thực hiện đã lần đầu tiên làm rõ phần còn thiếu đó. Theo các mô hình trước đây, các electron được cho là chỉ tương tác với hạt nhân nguyên tử sau khi đã thoát ra khỏi rào cản.
Phát hiện mới cho thấy điều đó không hoàn toàn đúng. Thay vì chỉ “lướt qua” rào cản, electron thực tế còn va chạm trở lại với hạt nhân ngay khi vẫn đang ở bên trong vùng bị cấm này. Nhóm nghiên cứu gọi cơ chế này là “tái va chạm dưới rào cản” (under-the-barrier recollision – UBR).
Để quan sát hiện tượng này, các nhà khoa học sử dụng xung laser cường độ cao để kích thích electron đi vào trạng thái tunneling. Kết quả cho thấy electron không chỉ xuyên qua rào cản mà còn có thể nhận thêm năng lượng trong quá trình di chuyển, sau đó quay lại tương tác với hạt nhân trước khi thoát ra ngoài. Đây là một hành vi phức tạp hơn nhiều so với các giả định trước đó.
Sơ đồ thí nghiệm của các nhà khoa học để xác định xem điều gì xảy ra khi các electron đi qua hầm lượng tử
Mô hình UBR cũng giúp giải thích rõ hơn một số hiện tượng mà các lý thuyết cũ chưa thể lý giải, đặc biệt là Freeman resonance – các đỉnh năng lượng đặc biệt trong phổ electron. Trước đây, hiện tượng này được cho là kết quả của quá trình hấp thụ nhiều photon, nhưng dữ liệu thực nghiệm mới cho thấy cơ chế tái va chạm đóng vai trò quan trọng hơn trong điều kiện cường độ cao.
Các thí nghiệm thực tế đã xác nhận dự đoán của mô hình mới. Electron được ghi nhận có mức năng lượng cao hơn và hành vi ổn định hơn trước thay đổi cường độ laser, phù hợp với những gì lý thuyết UBR đưa ra. Điều này giúp hoàn thiện bức tranh về động lực học của electron trong quá trình tunneling, vốn trước đây chỉ được hiểu một cách gián tiếp.
Theo giáo sư Dong Eon Kim, trưởng nhóm nghiên cứu, phát hiện này giúp các nhà khoa học tiến gần hơn tới việc hiểu và kiểm soát hành vi của electron khi chúng di chuyển qua “bức tường” nguyên tử. Ông cho rằng việc nắm rõ cơ chế này có thể mở ra khả năng điều chỉnh quá trình tunneling theo những cách chính xác hơn trong tương lai.
Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lý thuyết. Vì electron tunneling là nền tảng của công nghệ bán dẫn, việc hiểu sâu hơn về cơ chế này có thể tác động trực tiếp tới thiết kế chip, giúp cải thiện hiệu suất và mở ra các hướng phát triển mới trong điện toán lượng tử cũng như các hệ thống laser siêu nhanh.
Sau hơn 100 năm kể từ khi cơ học lượng tử đặt nền móng cho khái niệm tunneling, phần “bí ẩn” nằm bên trong quá trình này cuối cùng đã dần được làm sáng tỏ. Dù chưa thể nói con người đã hoàn toàn kiểm soát electron theo ý muốn, nghiên cứu mới cho thấy một bước tiến quan trọng: từ chỗ chỉ quan sát kết quả, giới khoa học giờ đây bắt đầu hiểu rõ hơn những gì thực sự diễn ra bên trong một trong những hiện tượng cốt lõi của công nghệ hiện đại.
