Anonim

Kvantum tunneling tager tid eller er det øjeblikkeligt?

Fysik

Michael Irving

7. august 2017

3 billeder

Forskere ved Max Planck Institute har bestemt, hvor længe det tager elektroner til kvante tunnel (Credit: fredmantel / Depositphotos)

I den underlige verden af ​​kvantefysik er det ikke usædvanligt, at partikler tunnel gennem barrierer, at de under normale omstændigheder ikke bør kunne passere igennem. Mens denne proces, kaldet quantum tunneling, er veldokumenteret, har fysikere ikke kunnet finde ud af om det sker øjeblikkeligt eller tager en vis mængde tid. Nu har et team fra Max Planck Institute for Nuclear Physics et svar.

Den mest almindelige analogi, der bruges til at forklare dette quirky kvantefænomen, er en bold, der ruller over en bakke. Normalt har bolden brug for en vis mængde energi til at skubbe den op og over, ellers sidder den fast i bunden. Det er simpelt. Men i kvantfysik er der en chance for, at bolden kan tilfældigt flytte til den anden side af bakken gennem en proces kaldet quantum tunneling. Dette har været veldokumenteret i årtier: elementære partikler, der kommer fra atomer, er en af ​​hoveddriverne bag radioaktivt henfald.

Den del af processen, der stadig er op til debat, er tidsplanen involveret for partiklen til tunnel til frihed. Der er to teorier: "simple man " -modellen siger, at det sker med det samme, så den undslippende elektron vises lige ved udgangen af ​​tunnelen uden hastighed. Men i 1955 foreslog fysiker Eugene Wigner ideen om, at det tager en begrænset (omend kort) tid til partiklen til at gøre rejsen.

For at undersøge, inducerede Max Planck-teamet kvante tunneling af elektroner i atomer, og derefter målte tiden (hvis nogen) det tog dem til at gøre det. Da det ville ske over en utrolig lille tidsplan, udviklede forskerne et klogt lille trick, der ville give dem mulighed for at se, hvilket scenario der skete.

For at fremkalde kvantetunneling sprøjtede forskerne en gasblanding af krypton- og argonatomer med korte laserimpulser. Dette svækker midlertidigt det elektriske felt, der binder elektronerne på plads, hvilket øger sandsynligheden for, at en af ​​dem vil tønne ud. Banens elektroniske udgang fra kernen styres af lasers elektriske felt, og i dette eksperiment drejer laserstrålen, hvilket bevirker, at "energikrukken ", der indeholder elektronerne, også roterer .

Det betyder, at holdet nu kan løse spørgsmålet ved at måle det bane, som elektronen tager, da det glider væk. I det væsentlige, hvis det overhovedet tager tid for partiklen at tunnelere, har energikrukken roteret lidt efter det tidspunkt, den udgår, og sender den ud på et andet kursus, end hvis det skete øjeblikkeligt.

For at måle den tid, det tager en elektron til kvantetunnel, ramte forskerne atomer med korte laserimpulser, der roterede. Hvis det tog nul tid (simpel mandmodel), ville elektronen være upåvirket, men hvis det overhovedet tog nogen tid (Wigner-modellen), ville banen være skævt (Kredit: PRL 2017 / MPI for Kernfysik)

Brug af krypton- og argonatomer var også nøglen til at spore forskellen i bane. Disse atomer har forskellige barrierehøjder og tunnellængder, hvilket betyder, at deres baner skal være lidt forskellige, hvis tiden er en faktor. Hvis tunneltiden er nul, skal de følge den nøjagtige samme vej.

Sikkert nok fandt forskerne, at tiden spiller en rolle i processen. I deres eksperimenter tog elektronerne mellem 80 og 180 attosekunder - en milliardedel af en milliardedel af et sekund - for at gøre rejsen, hvilket bekræfter Wigners 's langvarige teori.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

Kilde: Max Planck Institute

For at måle den tid, det tager en elektron til kvantetunnel, ramte forskerne atomer med korte laserimpulser, der roterede. Hvis det tog nul tid (simpel mandmodel), ville elektronen være upåvirket, men hvis det overhovedet tog nogen tid (Wigner-modellen), ville banen være skævt (Kredit: PRL 2017 / MPI for Kernfysik)

Forskere ved Max Planck Institute har bestemt, hvor længe det tager elektroner til kvante tunnel (Credit: fredmantel / Depositphotos)

Et diagram der demonstrerer kugleanalogi af kvante tunneling: at klatre op ad bakken, ville en bold kræve tilstrækkelig energi, men med kvanttunneling er der en chance for, at kuglen kan tilfældigt "tunnel " gennem bakken og vises på den anden side ( Kredit: Max Planck Institute for Quantum Optics)

Anbefalet Redaktørens Valg