Na poziomie subatomowym cząsteczki mogą latać przez pozornie nieprzekraczalne bariery, takie jak duchy.
Przez dziesięciolecia fizycy zastanawiali się, ile czasu zajmuje tak zwane tunelowanie kwantowe. Teraz, po trzyletnim dochodzeniu, międzynarodowy zespół fizyków teoretycznych ma odpowiedź. Zmierzyli tunelujący elektron z atomu wodoru i stwierdzili, że jego przejście było praktycznie natychmiastowe, zgodnie z nowym badaniem.
Cząsteczki mogą przenikać przez obiekty stałe nie dlatego, że są bardzo małe (choć są), ale ponieważ zasady fizyki są różne na poziomie kwantowym.
Wyobraź sobie piłkę toczącą się w dół doliny w kierunku zbocza wysokiego jak Mount Everest; bez wzmocnienia z plecaka odrzutowego piłka nigdy nie miałaby wystarczającej ilości energii, aby oczyścić wzgórze. Ale cząsteczka subatomowa nie musi przejść przez wzgórze, aby przejść na drugą stronę.
Cząsteczki są również falami, które rozciągają się w nieskończoność w przestrzeni. Zgodnie z tak zwanym równaniem falowym oznacza to, że cząstkę można znaleźć w dowolnej pozycji na fali.
Teraz wyobraź sobie falę uderzającą w barierę; trwa dalej, ale traci energię, a jego amplituda (wysokość szczytu) spada w dół. Ale jeśli przeszkoda jest wystarczająco cienka, amplituda fali nie spada do zera. Dopóki w spłaszczonej fali pozostanie jeszcze trochę energii, istnieje jakaś szansa - choć niewielka - że cząsteczka może przelecieć przez wzgórze i na drugą stronę.
Przeprowadzenie eksperymentów, które uchwyciły tę nieuchwytną aktywność na poziomie kwantowym, było co najmniej „bardzo trudne”, współautor badania Robert Sang, eksperymentalny fizyk kwantowy i profesor z Griffith University w Australii, powiedział Live Science w e-mailu.
„Musisz połączyć bardzo skomplikowane układy laserowe, mikroskop reakcyjny i wodorowy układ wiązki atomowej, aby wszystkie działały jednocześnie” - powiedział Sang.
Ich układ ustalił trzy ważne punkty odniesienia: początek ich interakcji z atomem; czas, w którym uwolniony elektron miał wyłonić się zza bariery; i kiedy rzeczywiście się pojawił, Sang powiedział na wideo.
Utrzymywanie czasu dzięki światłu
Naukowcy wykorzystali optyczne urządzenie do pomiaru czasu zwane attoclock - ultrakrótkie, spolaryzowane impulsy świetlne zdolne do pomiaru ruchów elektronów do attosekundy, czyli miliardowej części miliardowej sekundy. Naukowcy stwierdzili, że ich attoclock kąpał atomy wodoru w świetle z prędkością 1000 impulsów na sekundę, które jonizowały atomy, aby ich elektrony mogły uciec przez barierę.
Mikroskop reakcyjny po drugiej stronie bariery mierzył pęd elektronu, gdy się pojawił. Mikroskop reakcyjny wykrywa poziomy energii w naładowanej cząsteczce po jej oddziaływaniu z impulsem świetlnym z attoclocka „i na podstawie tego możemy wywnioskować czas potrzebny do przejścia przez barierę”, powiedział Sang dla Live Science.
„Dokładność, którą mogliśmy zmierzyć, to 1,8 attosekundy” - powiedział Sang. „Byliśmy w stanie stwierdzić, że tunelowanie musi wynosić mniej niż 1,8 attosekundy” - dodał natychmiast.
Chociaż układ pomiarowy był złożony, atom użyty w eksperymentach naukowców był prosty - wodór atomowy, który zawiera tylko jeden elektron. Wcześniejsze eksperymenty przeprowadzone przez innych badaczy wykorzystywały atomy zawierające dwa lub więcej elektronów, takich jak hel, argon i krypton, zgodnie z badaniami.
Ponieważ uwolnione elektrony mogą oddziaływać ze sobą, interakcje te mogą wpływać na czas tunelowania cząstek. To może tłumaczyć, dlaczego szacunki wcześniejszych badań były dłuższe niż w nowym badaniu, i dziesiątkami attosekund, wyjaśnił Sang. Prostota struktury atomowej wodoru pozwoliła naukowcom skalibrować swoje eksperymenty z dokładnością, która była nieosiągalna w poprzednich próbach, tworząc ważny punkt odniesienia, względem którego można teraz zmierzyć inne tunelowane cząstki.
Odkrycia zostały opublikowane 18 marca w czasopiśmie Nature.
