La nivel subatomic, particulele pot zbura prin bariere aparent impasibile precum fantomele.
Timp de zeci de ani, fizicienii s-au întrebat cât durează această așa-numită tunelare cuantică. Acum, după o anchetă de trei ani, o echipă internațională de fizicieni teoretici are un răspuns. Ei au măsurat un electron de tunel de la un atom de hidrogen și au descoperit că trecerea lui a fost practic instantanee, potrivit unui nou studiu.
Particulele pot trece prin obiecte solide nu pentru că sunt foarte mici (deși sunt), ci pentru că regulile fizicii sunt diferite la nivel cuantic.
Imaginați-vă o minge rulând pe o vale spre o pantă la fel de înaltă ca Muntele Everest; fără un impuls de la un jetpack, mingea nu ar avea niciodată suficientă energie pentru a curăța dealul. Dar o particulă subatomică nu trebuie să treacă peste deal pentru a ajunge în cealaltă parte.
Particulele sunt de asemenea valuri, care se extind la infinit în spațiu. Conform așa-numitei ecuații de undă, aceasta înseamnă că o particulă poate fi găsită în orice poziție a undei.
Acum imaginează valul care lovește o barieră; ea continuă, dar pierde energie, iar amplitudinea sa (înălțimea vârfului) coboară în jos. Dar dacă obstacolul este suficient de subțire, amplitudinea valului nu scade până la zero. Atâta timp cât mai rămâne ceva energie în valul aplatizat, există o șansă - deși una mică - ca o particulă să poată zbura prin deal și în cealaltă parte.
Realizarea de experimente care au capturat această activitate evazivă la nivel cuantic a fost „foarte dificil” să spunem cel puțin, co-autorul studiului Robert Sang, un fizic cuantic experimental și profesor la Universitatea Griffith din Australia, a declarat Live Science într-un e-mail.
"Trebuie să combinați sisteme laser foarte complicate, un microscop de reacție și un sistem cu fascicul atomic de hidrogen pentru a funcționa toate în același timp", a spus Sang.
Configurația lor a stabilit trei puncte de referință importante: începutul interacțiunii lor cu atomul; timpul în care un electron eliberat trebuia să iasă din spatele unei bariere; și momentul când a apărut de fapt, a spus Sang într-un videoclip.
Menținerea timpului cu lumină
Cercetătorii au folosit un dispozitiv de cronometrare optică numit atoclock - ultrashort, impulsuri de lumină polarizate, capabile să măsoare mișcările electronilor către atosecundă sau o miliardime de o miliardime de secundă. Atoclock-ul lor scăldați atomi de hidrogen în lumină cu o rată de 1000 de impulsuri pe secundă, ceea ce a ionizat atomii astfel încât electronii lor să poată scăpa prin barieră, au raportat cercetătorii.
Un microscop de reacție pe partea cealaltă a unei bariere a măsurat impulsul electronului când a apărut. Microscopul de reacție detectează nivelurile de energie într-o particulă încărcată după ce interacționează cu impulsul luminii din atocloc, „și de aici putem deduce timpul necesar pentru trecerea barierei”, a spus Sang Science Live Science.
"Precizia cu care am putea măsura acest lucru a fost de 1,8 atosecunde", a spus Sang. „Am reușit să concluzionăm că tunelarea trebuie să fie mai mică de 1,8 atosecunde” - aproape instantaneu, a adăugat el.
Deși sistemul de măsurare a fost complex, atomul utilizat în experimentele cercetătorilor a fost simplu - hidrogen atomic, care conține doar un electron. Experimentele anterioare efectuate de alți cercetători au folosit atomi care conțineau doi sau mai mulți electroni, precum heliu, argon și kripton, potrivit studiului.
Deoarece electronii eliberați pot interacționa unul cu celălalt, aceste interacțiuni pot afecta timpul de tunelare a particulelor. Asta ar putea explica de ce estimările studiilor anterioare au fost mai lungi decât în noul studiu și de zeci de atosecunde, a explicat Sang. Simplitatea structurii atomice a hidrogenului le-a permis cercetătorilor să-și calibreze experimentele cu o precizie care nu a fost la îndemâna în încercările anterioare, creând un reper important față de care acum se pot măsura alte particule de tunel, au raportat cercetătorii.
Rezultatele au fost publicate online pe 18 martie în revista Nature.
