På det subatomære niveau kan partikler flyve gennem tilsyneladende uacceptable barrierer som spøgelser.
I årtier har fysikere undret sig over, hvor lang tid denne såkaldte kvantetunneling tager. Nu, efter en tre-årig undersøgelse, har et internationalt team af teoretiske fysikere et svar. De målte en tunneleringselektron fra et brintatom og fandt, at dens passage praktisk taget var øjeblikkelig, ifølge en ny undersøgelse.
Partikler kan passere gennem faste objekter ikke fordi de er meget små (skønt de er), men fordi fysikens regler er forskellige på kvantniveau.
Forestil dig en bold, der ruller ned ad en dal mod en skråning så høj som Mount Everest; uden et løft fra en jetpack ville bolden aldrig have nok energi til at rydde bakken. Men en subatomær partikel behøver ikke at gå over bakken for at komme til den anden side.
Partikler er også bølger, der strækker sig uendeligt i rummet. I henhold til den såkaldte bølgeforligelse betyder dette, at en partikel kan findes i enhver position på bølgen.
Forestil dig nu bølgen, der rammer en barriere; den fortsætter igennem, men mister energi, og dens amplitude (højden på toppen) dypper langt ned. Men hvis hindringen er tynd nok, forfalder bølgens amplitude ikke ned til nul. Så længe der stadig er noget energi tilbage i den udfladede bølge, er der en chance - om end en lille - at en partikel kan flyve gennem bakken og ud på den anden side.
At udføre eksperimenter, der fangede denne undvigende aktivitet på kvanteniveau var "meget udfordrende" for at sige det mildt, fortalte co-forfatter Robert Sang, en eksperimentel kvantefysiker og en professor ved Griffith University i Australien, til Live Science i en e-mail.
"Du er nødt til at kombinere meget komplicerede lasersystemer, et reaktionsmikroskop og et atomatomstrålesystem for at arbejde alt sammen på samme tid," sagde Sang.
Deres opsætning etablerede tre vigtige referencepunkter: starten på deres interaktion med atomet; den tid, hvor et frigivet elektron forventedes at komme ud bag en barriere; og det tidspunkt, hvor det faktisk optrådte, sagde Sang i en video.
Holde tid med lys
Forskerne brugte en optisk timekeeping-enhed kaldet en attoclock - ultrashort, polariserede lyspulser, der var i stand til at måle elektronernes bevægelser til attosekundet eller en milliarddel af en milliardedels sekund. Deres attoklock badede brintatomer i lys med en hastighed på 1000 impulser i sekundet, hvilket ioniserede atomerne, så deres elektroner kunne undslippe gennem barrieren, rapporterede forskerne.
Et reaktionsmikroskop på den anden side af en barriere målte elektronens momentum, da det opstod. Reaktionsmikroskopet registrerer energiniveauer i en ladet partikel, efter at den interagerer med lyspulsen fra attoklåsen, "og ud fra det kan vi udlede den tid det tog at gå gennem barrieren," fortalte Sang til Live Science.
"Præcisionen for, at vi kunne måle dette med, var 1,8 attosekunder," sagde Sang. ”Vi var i stand til at konkludere, at tunnelen skal være mindre end 1,8 attosekunder” - næsten øjeblikkeligt, tilføjede han.
Selvom målesystemet var komplekst, var det atom, der blev anvendt i forskernes eksperimenter, simpelt - atomisk brint, der kun indeholder en elektron. Tidligere eksperimenter udført af andre forskere brugte atomer, der indeholdt to eller flere elektroner, såsom helium, argon og krypton, ifølge undersøgelsen.
Fordi frigjorte elektroner kan interagere med hinanden, kan disse interaktioner påvirke partiklenes tunneltider. Det kunne forklare, hvorfor tidligere estimater var længere end i den nye undersøgelse, og med snesevis af attosekunder, forklarede Sang. Enkelheden i hydrogens atomstruktur gjorde det muligt for forskerne at kalibrere deres eksperimenter med en nøjagtighed, som var ude af rækkevidde i tidligere forsøg, hvilket skabte et vigtigt benchmark, som andre tunnelfartikler nu kan måles, rapporterede forskerne.
Resultaterne blev offentliggjort online 18. marts i tidsskriftet Nature.
