Cameron Merritt
0 
2052
257
Kvanteverdenen er en temmelig vild verden, hvor det tilsyneladende umulige sker hele tiden: Teensy-objekter adskilt med miles er bundet til hinanden, og partikler kan endda være to steder på én gang. Men en af de mest forvirrende kvante supermagter er bevægelsen af partikler gennem tilsyneladende uigennemtrængelige barrierer.
Nu har et team af fysikere udtænkt en enkel måde at måle varigheden af dette bisarre fænomen, kaldet kvantetunneling. Og de regnede ud, hvor lang tid tunnelen tager fra start til slut - fra det øjeblik en partikel kommer ind i barrieren, tunneler gennem og kommer ud på den anden side, rapporterede de online 22. juli i tidsskriftet Nature.
Kvantetunneling er et fænomen, hvor et atom eller en subatomisk partikel kan forekomme på den modsatte side af en barriere, som burde være umulig for partiklen at trænge igennem. Det er som om du gik og stødte på en 3 meter lang (3 meter) mur, der strækker sig så langt øjet kan se. Uden en stige eller Spider-man klatrefærdigheder, ville væggen gøre det umuligt for dig at fortsætte.
Relaterede: De 18 største uløste mysterier inden for fysik
I kvanteverdenen er det imidlertid sjældent, men muligt, at et atom eller elektron simpelthen "vises" på den anden side, som om en tunnel var blevet gravet gennem væggen. "Kvantetunneling er et af de mest forundrede kvantefænomener," sagde studieforfatter Aephraim Steinberg, meddirektør for programmet Quantum Information Science ved Canadian Institute for Advanced Research. "Og det er fantastisk, at vi nu er i stand til rent faktisk at studere det på denne måde."
Kvantetunneling er ikke ny for fysikere. Det danner grundlaget for mange moderne teknologier, såsom elektroniske chips, kaldet tunneldioder, der muliggør bevægelse af elektricitet gennem et kredsløb i den ene retning, men ikke den anden. Scanning af tunnelmikroskoper (STM) bruger også tunneling til bogstaveligt at vise individuelle atomer på overfladen af et fast stof. Kort efter den første STM blev opfundet, rapporterede forskere hos IBM at bruge enheden til at stave bogstaverne IBM ved hjælp af 35 xenonatomer på et nikkelsubstrat.
Mens kvantemekanikens lovgivning tillader kvantetunneling, ved forskerne stadig ikke nøjagtigt, hvad der sker, mens en subatomisk partikel gennemgår tunnelprocessen. Nogle forskere troede faktisk, at partiklen forekommer øjeblikkeligt på den anden side af barrieren, som om den øjeblikkeligt teleporterede der, rapporterede Sci-News.com.
Forskere havde tidligere forsøgt at måle den tid, det tager for tunneling at finde sted, med forskellige resultater. En af vanskelighederne i tidligere versioner af denne type eksperiment er at identificere det øjeblik, tunnelen starter og stopper. For at forenkle metodologien brugte forskerne magneter til at skabe en ny slags "ur", der kun ville krydser, mens partiklen tunnellerede.
Subatomiske partikler har alle magnetiske egenskaber, og når magneter befinder sig i et eksternt magnetfelt, roterer de som en roterende top. Mængden af rotation (også kaldet præcession) afhænger af hvor længe partiklen bades i det magnetiske felt. Når man vidste det, anvendte Toronto-gruppen et magnetfelt til at danne deres barriere. Når partikler er inde i barrieren, er de nødvendige. Uden for det gør de det ikke. Så måling af hvor længe partiklerne precess fortalte forskerne, hvor lang tid det tog disse atomer at tunnel gennem barrieren.
Relaterede: 18 gange kvantepartikler sprængte vores sind
"Eksperimentet er en betagende teknisk præstation," sagde Drew Alton, fysikprofessor ved Augustana University, i South Dakota.
Forskerne forberedte cirka 8.000 rubidiumatomer, afkølede dem i en milliarddel af en grad over absolut nul. Atomerne skulle være denne temperatur, ellers ville de have bevæget sig tilfældigt med høje hastigheder i stedet for at bo i en lille klump. Forskerne brugte en laser til at skabe den magnetiske barriere; de fokuserede laseren, så barrieren var 1,3 mikrometer (mikron) tyk, eller tykkelsen på ca. 2.500 rubidiumatomer. (Så hvis du var en fod tyk, forfra og bagpå, ville denne barriere svare til ca. en halv kilometer tyk.) Ved hjælp af en anden laser skubbede forskerne rubidiumatomer mod barrieren og flyttede dem ca. 0,15 inches per sekund (4 millimeter / s).
Som forventet sprang de fleste af rubidiumatomer ud af barrieren. På grund af kvantetunneling trængte imidlertid ca. 3% af atomer ind i barrieren og dukkede op på den anden side. Baseret på disse atoms præcession tog det dem ca. 0,6 millisekunder for at krydse barrieren.
Relaterede-De 11 største ubesvarede spørgsmål om mørk stof
-Infographic: Sådan fungerer kvanteforviklinger
-De 12 vigtigste og bedøvende kvanteeksperimenter
Chad Orzel, en lektor i fysik ved Union College i New York, som ikke var en del af undersøgelsen, bifalder eksperimentet, "Deres eksperiment er genialt konstrueret for at gøre det vanskeligt at fortolke som andet end hvad de siger," sagde Orzel , forfatter af "Sådan undervises kvantemekanik til din hund" (Scribner, 2010) Det "er et af de bedste eksempler, du kan se på et tankeeksperiment, der er gjort rigtigt," tilføjede han.
Eksperimenter, der undersøger kvantetunneling er vanskelige, og yderligere forskning er nødvendig for at forstå implikationerne af denne undersøgelse. Toronto-gruppen overvejer allerede forbedringer af deres apparater for ikke kun at bestemme varigheden af tunnelprocessen, men også for at se, om de kan lære noget om atomernes hastighed på forskellige punkter inde i barrieren. "Vi arbejder på en ny måling, hvor vi gør barrieren tykkere og derefter bestemmer mængden af præcession på forskellige dybder," sagde Steinberg. "Det vil være meget interessant at se om atomernes hastighed er konstant eller ikke."
I mange fortolkninger af kvantemekanikken er det - selv i princippet - umuligt at bestemme en subatomær partikels bane. En sådan måling kunne føre til indsigt i kvanteteoriens forvirrende verden. Kvanteverdenen er meget forskellig fra den verden, vi kender. Eksperimenter som disse vil hjælpe med at gøre det lidt mindre mystisk.
Se alle kommentarer (10)