На субатомно ниво частиците могат да прелитат през привидно непроходими бариери като призраци.
Десетилетия наред физиците се питаха колко време отнема така нареченото квантово тунелиране. Сега, след тригодишно разследване, международен екип от теоретични физици има отговор. Те измерват тунелиращ електрон от водороден атом и установяват, че преминаването му е практически моментално, сочи ново проучване.
Частиците могат да преминават през твърди обекти не защото са много малки (въпреки че са), а защото правилата на физиката са различни на квантово ниво.
Представете си топка, която се търкаля по долина към склон, висок като връх Еверест; без тласък от джетпак, топката никога не би имала достатъчно енергия, за да изчисти хълма. Но субатомната частица няма нужда да минава над хълма, за да стигне до другата страна.
Частиците също са вълни, които се простират безкрайно в пространството. Според така нареченото вълново уравнение това означава, че частица може да се намери във всяка позиция на вълната.
Сега представете вълната, която удря бариера; тя продължава нататък, но губи енергия и нейната амплитуда (височината на върха) намалява надолу. Но ако препятствието е достатъчно тънко, амплитудата на вълната не се разпада до нула. Докато все още има останала енергия в сплесканата вълна, има някакъв шанс - макар и малък - частицата да прелети през хълма и от другата страна.
Провеждането на експерименти, които обхванаха тази неуловима дейност на квантово ниво, беше „най-малкото предизвикателство“, съавторът на изследването Робърт Санг, експериментален квантов физик и професор от университета в Грифит в Австралия, каза Live Science в имейл.
"Трябва да комбинирате много сложни лазерни системи, реакционен микроскоп и система от водороден атомен лъч, за да работите едновременно", каза Санг.
Тяхната настройка установи три важни ориентира: началото на взаимодействието им с атома; времето, когато се очаква да излезе освободен електрон зад преграда; и времето, когато всъщност се появи, каза Санг във видео.
Запазване на времето със светлина
Изследователите са използвали оптично устройство за отчитане на времето, наречено часовник - ултракоротки, поляризирани светлинни импулси, способни да измерват движенията на електроните към аттосекундата или милиардна част от милиардна част от секундата. Техният часовник къпе водородни атоми в светлина със скорост 1000 импулса в секунда, което йонизира атомите, така че техните електрони да избягат през бариерата, съобщават изследователите.
Реакционен микроскоп от другата страна на преградата измерва инерцията на електрона, когато той се появи. Реакционният микроскоп открива нивата на енергия в заредена частица, след като взаимодейства със светлинния импулс от часовниковия часовник, "и от това можем да заключим времето, необходимо за преминаване през бариерата", каза Санг пред Live Science.
"Точността, с която можем да измерим това, беше 1,8 аттосекунди", каза Санг. "Успяхме да заключим, че тунелирането трябва да е по-малко от 1,8 аттосекунди" - близо моментално, добави той.
Въпреки че измервателната система беше сложна, атомът, използван в експериментите на изследователите, беше прост - атомен водород, който съдържа само един електрон. Предишни експерименти, проведени от други изследователи, са използвали атоми, които съдържат два или повече електрона, като хелий, аргон и криптон, според проучването.
Тъй като освободените електрони могат да взаимодействат помежду си, тези взаимодействия могат да повлияят на времената на тунелиране на частиците. Това би могло да обясни защо оценките на предишните проучвания са по-дълги, отколкото при новото проучване, и с десетки атосекунди, обясни Санг. Простотата на атомната структура на водорода позволи на изследователите да калибрират своите експерименти с точност, която е била недостъпна при предишни опити, създавайки важен показател, спрямо който сега могат да бъдат измерени други тунелни частици, съобщават изследователите.
Резултатите бяха публикувани онлайн на 18 март в списание Nature.
