На субатомном уровне частицы могут пролетать сквозь, казалось бы, непроходимые барьеры, такие как призраки.
В течение десятилетий физики задавались вопросом, сколько времени занимает это так называемое квантовое туннелирование. Теперь, после трехлетнего исследования, международная команда физиков-теоретиков получила ответ. Согласно новому исследованию, они измерили туннельный электрон от атома водорода и обнаружили, что его прохождение было практически мгновенным.
Частицы могут проходить сквозь твердые объекты не потому, что они очень маленькие (хотя они и есть), а потому, что правила физики различны на квантовом уровне.
Представьте себе мяч, катящийся по долине к склону, столь же высокому, как гора Эверест; без ускорения реактивного ранца у шара никогда не было бы достаточно энергии, чтобы очистить холм. Но субатомная частица не должна пересекать холм, чтобы добраться до другой стороны.
Частицы также являются волнами, которые бесконечно распространяются в пространстве. Согласно так называемому волновому уравнению это означает, что частица может быть найдена в любом положении на волне.
Теперь представьте, как волна ударяется о барьер; оно продолжается до конца, но теряет энергию, и его амплитуда (высота пика) падает вниз. Но если препятствие достаточно тонкое, амплитуда волны не уменьшается до нуля. Пока в сглаженной волне все еще остается некоторая энергия, есть некоторый шанс - хотя и небольшой - что частица может пролететь через холм и выйти с другой стороны.
Проведение экспериментов, которые охватили эту неуловимую деятельность на квантовом уровне, было «очень трудным», по меньшей мере, соавтор исследования Роберт Санг, экспериментальный квантовый физик и профессор Университета Гриффита в Австралии, сказал Live Science в электронном письме.
«Вам нужно объединить очень сложные лазерные системы, реакционный микроскоп и систему атомного пучка водорода, чтобы работать одновременно», - сказал Санг.
Их установка установила три важных ориентира: начало их взаимодействия с атомом; ожидаемое время выхода свободного электрона из-за барьера; и время, когда оно действительно появилось, сказал Санг в видео.
Держать время со светом
Исследователи использовали оптическое устройство хронометража, называемое «атточл», - ультракороткие поляризованные световые импульсы, способные измерять движения электронов с точностью до секунды, или миллиардной долей миллиардной доли секунды. Исследователи сообщают, что их часы поглощали атомы водорода светом со скоростью 1000 импульсов в секунду, что ионизировало атомы, благодаря чему их электроны могли выходить через барьер.
Реакционный микроскоп на другой стороне барьера измерял импульс электрона, когда он возник. Реакционный микроскоп обнаруживает энергетические уровни в заряженной частице после того, как она взаимодействует с импульсом света от часов, «и из этого мы можем вывести время, необходимое для прохождения барьера», - сказал Санг в интервью Live Science.
«Точность, которую мы могли измерить, составляла 1,8 аттосекунды», - сказал Санг. «Мы смогли сделать вывод, что туннелирование должно быть менее 1,8 аттосекунды», - почти мгновенно добавил он.
Хотя измерительная система была сложной, атом, используемый в экспериментах исследователей, был простым - атомарный водород, который содержит только один электрон. В предыдущих экспериментах, проведенных другими исследователями, использовались атомы, которые содержали два или более электронов, таких как гелий, аргон и криптон, согласно исследованию.
Поскольку освобожденные электроны могут взаимодействовать друг с другом, эти взаимодействия могут влиять на время туннелирования частиц. Это может объяснить, почему оценки предыдущих исследований были длиннее, чем в новом исследовании, и на десятки аттосекунд, пояснил Санг. Простота атомной структуры водорода позволила исследователям откалибровать свои эксперименты с точностью, которая была недоступна в предыдущих попытках, создав важный критерий, по которому теперь могут быть измерены другие туннельные частицы, сообщили исследователи.
Полученные результаты были опубликованы онлайн 18 марта в журнале Nature.
