Subatomisella tasolla hiukkaset voivat lentää näennäisesti läpäisemättömien esteiden, kuten kummitusten, läpi.
Fyysikot ovat vuosikymmenien ajan miettineet kuinka kauan tämä ns. Kvanttunnelointi kestää. Kolme vuotta kestäneen tutkimuksen jälkeen kansainvälisellä teoreettisten fyysikkojen ryhmällä on vastaus. He mittasivat tunnelointielektronin vetyatomista ja totesivat uuden tutkimuksen mukaan, että sen kulku tapahtui käytännössä heti.
Hiukkaset voivat kulkea kiinteiden esineiden läpi ei siksi, että ne ovat hyvin pieniä (vaikka ovatkin), vaan koska fysiikan säännöt ovat erilaisia kvantitasolla.
Kuvittele pallo, joka vierii laaksosta kohti rinnettä, joka on yhtä korkea kuin Mount Everest; ilman potkuria jetpackista, pallolla ei olisi koskaan tarpeeksi energiaa mäen puhdistamiseen. Mutta subatomisen hiukkasen ei tarvitse mennä mäen yli päästäkseen toiselle puolelle.
Hiukkaset ovat myös aaltoja, jotka ulottuvat äärettömästi avaruudessa. Niin sanotun aaltoyhtälön mukaan tämä tarkoittaa, että hiukkanen voi löytyä missä tahansa aallon kohdasta.
Nyt kuvaa aallon isku esteestä; se jatkuu läpi, mutta menettää energiaa, ja sen amplitudi (huipun korkeus) putoaa alaspäin. Mutta jos este on tarpeeksi ohut, aallon amplitudi ei heikkene alas nollaan. Niin kauan kuin litistyneessä aallossa on vielä energiaa, on olemassa mahdollisuus - vaikkakin pieni -, että hiukkanen voi lentää mäen läpi ja ulos toiselta puolelta.
Kokeilujen suorittaminen, jotka vangitsivat tämän vaikean toiminnan kvantitasolla, oli vähintäänkin erittäin haastavaa, tutkimuksen avustaja Robert Sang, kokeellinen kvanttifysiikka ja Australian Griffith-yliopiston professori, kertoi Live Sciencelle sähköpostissa.
"Sinun on yhdistettävä erittäin monimutkaiset laserjärjestelmät, reaktiomikroskooppi ja vetyatomisätejärjestelmä, jotta kaikki toimisivat samanaikaisesti", Sang sanoi.
Heidän perustamisessaan muodostettiin kolme tärkeää viitepistettä: niiden vuorovaikutuksen alkaminen atomin kanssa; aika, jonka vapautuneen elektronin odotettiin tulevan esteen takaa; ja aika, jolloin se todella ilmestyi, Sang sanoi videossa.
Pidä aikaa valolla
Tutkijat käyttivät optista ajankäyttölaitetta, nimeltään attoclock - ultrahort, polarisoituneita valopulsseja, jotka pystyvät mittaamaan elektronien liikkeitä attosekunnin puoleen tai miljardiin sekuntin miljardiin kohtaan. Heidän attokellonsa uivat vetyatomeja valossa nopeudella 1000 pulssia sekunnissa, mikä ionisoi atomeja siten, että niiden elektronit pääsivät esteen läpi, tutkijat kertoivat.
Reaktion mikroskooppi esteen toisella puolella mittasi elektronin vauhtia, kun se ilmestyi. Reaktiomikroskooppi havaitsee varautuneen hiukkasen energiatasot sen jälkeen, kun se on vuorovaikutuksessa attoklokin valoimpulssin kanssa, "ja siitä voimme päätellä esteen läpi kulumisen ajan", Sang kertoi Live Science: lle.
"Tarkkuus, jolla voimme mitata tämän, oli 1,8 sekuntia", Sang sanoi. "Pystyimme toteamaan, että tunneloinnin on oltava alle 1,8 sekuntia" - hän lisäsi välittömästi.
Vaikka mittausjärjestelmä oli monimutkainen, tutkijoiden kokeissa käytetty atomi oli yksinkertainen - atomivety, joka sisältää vain yhden elektronin. Muiden tutkijoiden aikaisemmissa kokeissa käytettiin tutkimuksen mukaan atomeja, jotka sisälsivät kahta tai useampaa elektronia, kuten heliumia, argonia ja kryptonia.
Koska vapautetut elektronit voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään, nämä vuorovaikutukset voivat vaikuttaa hiukkasten tunnelointiaikoihin. Se selitti, miksi aikaisempien tutkimusten arviot olivat pidempiä kuin uudessa tutkimuksessa, ja kymmenillä asennoilla, Sang selitti. Vedyn atomirakenteen yksinkertaisuus antoi tutkijoille mahdollisuuden kalibroida kokeilunsa sellaisella tarkkuudella, joka oli aikaisemmissa yrityksissä saavuttamatta, luomalla tärkeän vertailukohdan, jota vastaan muut tunnelointihiukkaset voidaan nyt mitata, tutkijat kertoivat.
Tulokset julkaistiin verkossa 18. maaliskuuta Nature-lehdessä.
