Vlad Krasen
0 
1475
38
Kvantevärlden är en ganska vild värld, där det till synes omöjliga händer hela tiden: Teensy föremål separerade med miles är knutna till varandra, och partiklar kan till och med vara på två platser samtidigt. Men en av de mest förvirrande kvantens superkrafter är rörelsen av partiklar genom till synes ogenomträngliga barriärer.
Nu har ett team av fysiker tagit fram ett enkelt sätt att mäta varaktigheten på detta bisarra fenomen, kallad kvantetunneling. Och de räknade ut hur lång tid tunnlingen tar från början till slut - från det ögonblick en partikel kommer in i barriären, tunnlar igenom och kommer ut på andra sidan, rapporterade de online 22 juli i tidskriften Nature.
Kvanttunneling är ett fenomen där en atom eller en subatomär partikel kan uppträda på motsatt sida av en barriär som borde vara omöjlig för partikeln att tränga igenom. Det är som om du gick och stötte på en 3 meter lång (3 meter) vägg som sträcker sig så långt ögat kan se. Utan en stege eller Spider-man klättringsförmåga skulle väggen göra det omöjligt för dig att fortsätta.
Relaterad: De 18 största olösta mysterierna inom fysik
I kvantvärlden är det emellertid sällsynt, men möjligt, att en atom eller elektron helt enkelt "dyker upp" på andra sidan, som om en tunnel hade grävts genom väggen. "Kvanttunneling är ett av de mest förbryllande kvantfenomenen," säger studieförfattaren Aephraim Steinberg, meddirektör för programmet Quantum Information Science vid Canadian Institute for Advanced Research. "Och det är fantastiskt att vi nu kan studera det på detta sätt."
Kvanttunneling är inte ny för fysiker. Det utgör grunden för många moderna tekniker som elektroniska chips, kallad tunneldioder, som möjliggör förflyttning av elektricitet genom en krets i en riktning men inte den andra. Genom att skanna tunnelmikroskop (STM) används också tunneling för att bokstavligen visa enskilda atomer på ytan av ett fast ämne. Strax efter att den första STM uppfanns rapporterade forskare vid IBM att använda enheten för att stava bokstäverna IBM med 35 xenonatomer på ett nickelsubstrat.
Medan kvantmekanikens lagar möjliggör kvanttunnling, vet forskarna fortfarande inte exakt vad som händer medan en subatomär partikel genomgår tunnelprocessen. Vissa forskare trodde faktiskt att partikeln förekommer omedelbart på andra sidan av barriären som om den omedelbart teleporterades där, rapporterade Sci-News.com.
Forskare har tidigare försökt att mäta hur lång tid det tar för tunneling att uppstå, med olika resultat. En av svårigheterna i tidigare versioner av denna typ av experiment är att identifiera det ögonblick som tunnlarna startar och stoppar. För att förenkla metodiken använde forskarna magneter för att skapa en ny typ av "klocka" som bara skulle kryssa när partikeln tunnlade.
Subatomiska partiklar har alla magnetiska egenskaper och när magneter befinner sig i ett yttre magnetfält, roterar de som en snurrande topp. Mängden rotation (även kallad precession) beror på hur länge partikeln badas i det magnetiska fältet. Att veta att Toronto-gruppen använde ett magnetfält för att bilda deras barriär. När partiklar är inne i barriären, föregår de. Utanför det gör de inte. Så att mäta hur länge partiklarna precess berättade för forskarna hur lång tid det tog de atomerna att tunnelna genom barriären.
Relaterad: 18 gånger kvantpartiklar blåste våra sinnen
"Experimentet är en hisnande teknisk prestation," sade Drew Alton, fysikprofessor vid Augustana University, i South Dakota.
Forskarna förberedde ungefär 8000 rubidiumatomer, kylde dem till en miljarddels grad över absolut noll. Atomerna behövde vara denna temperatur, annars skulle de ha rört sig slumpmässigt i höga hastigheter, snarare än att stanna i en liten klump. Forskarna använde en laser för att skapa den magnetiska barriären; de fokuserade lasern så att barriären var 1,3 mikrometer (mikron) tjock, eller tjockleken på cirka 2500 rubidiumatomer. (Så om du var en fot tjock, framåt mot ryggen, skulle denna barriär motsvara ungefär en halv mil tjock.) Med hjälp av en annan laser sköt forskarna rubidiumatomerna mot barriären och flyttade dem cirka 0,15 tum per sekund (4 millimeter / s).
Som förväntat, studsade de flesta rubidiumatomer från barriären. På grund av kvanttunnling trängde emellertid omkring 3% av atomerna in i barriären och dök upp på andra sidan. Baserat på de atomerna som hade gått, tog det dem cirka 0,6 millisekunder för att korsa barriären.
Relaterad-De 11 största obesvarade frågorna om mörk materia
-Infographic: Hur kvantförvirring fungerar
-De 12 viktigaste och bedövande kvantexperimenten
Chad Orzel, en docent i fysik vid Union College i New York, som inte var en del av studien, applåderade experimentet, "Deras experiment är genialt konstruerat för att göra det svårt att tolka som något annat än vad de säger," sade Orzel , författare till "Hur man lär dig kvantmekanik till din hund" (Scribner, 2010) Det "är ett av de bästa exemplen du ser på ett tankeexperiment som är verkligt", tillade han.
Experiment som undersöker kvanttunneling är svåra och ytterligare forskning behövs för att förstå konsekvenserna av denna studie. Toronto-gruppen överväger redan förbättringar av deras apparater för att inte bara bestämma varaktigheten av tunnelprocessen, utan också för att se om de kan lära sig något om atomernas hastighet på olika punkter inuti barriären. "Vi arbetar med en ny mätning där vi gör barriären tjockare och bestämmer sedan hur stor prcession är på olika djup," sade Steinberg. "Det kommer att vara mycket intressant att se om atomernas hastighet är konstant eller inte."
I många tolkningar av kvantmekanik är det omöjligt - även i princip - att bestämma en subatomär partikelns bana. En sådan mätning skulle kunna leda till insikter i kvantteoriens förvirrande värld. Kvantvärlden skiljer sig mycket från den värld vi känner till. Experiment som dessa hjälper till att göra det lite mindre mystiskt.
Se alla kommentarer (10)