Vi lavede en gennembrudshastighedstest i kvantetunnel, og her er hvorfor det er spændende

Når du beskæftiger dig med ting på kvanteskalaen, hvor tingene er meget små, verden er ret uklar og bizar i forhold til vores hverdagsoplevelser.

For eksempel, vi kan normalt ikke gå gennem solide vægge. Men på kvanteskalaen, når en partikel støder på en tilsyneladende uoverstigelig barriere, den kan nogle gange passere til den anden side - en proces kendt som kvantetunnel.

Men hvor hurtigt en partikel kunne tunnel gennem en barriere var altid et puslespil.

I arbejde offentliggjort i dag i Nature har vi løst en del af problemet.

Hvorfor er det vigtigt? Det er et gennembrud, der kan have indflydelse på fremtidige teknologier, vi ser i vores hjem, på arbejde eller andre steder.

Mange af nutidens teknologier - såsom halvledere, LED -skærmen på din smartphone, eller lasere – er baseret på vores forståelse af, hvordan tingene fungerer i kvanteverdenen.

Så jo mere vi kan lære, jo mere vi kan udvikle.

Tilbage til tunneleringen

For kvantepartikler, såsom elektroner, når vi siger, at de kan tunnelere gennem barrierer, vi henviser ikke til fysiske forhindringer, men energibarrierer.

Tunnelering er mulig på grund af elektronens bølgenatur. Kvantemekanik tildeler bølgenatur til hver partikel, og derfor er der altid en endelig sandsynlighed for, at bølgen kan forplante sig gennem barrierer, ligesom lyd bevæger sig gennem vægge.

Det kan lyde kontraintuitivt, men det er det, der udnyttes i teknologier såsom scanning af tunnelmikroskoper, som gør det muligt for forskere at skabe billeder med atomopløsning. Dette observeres også naturligt i atomfusion, og i biologiske processer såsom fotosyntese.

Selvom fænomenet kvantetunnel er godt undersøgt og udnyttet, fysikere manglede stadig en fuldstændig forståelse af det, især med hensyn til dens dynamik.

Hvis vi kunne udnytte dynamikken i tunneling - f.eks. bruge det til at bære mere information – det kan muligvis give os et nyt greb om fremtidige kvanteteknologier.

En tunnelhastighedstest

Det første skridt mod dette mål er at måle tunnelingprocessens hastighed. Dette er ingen enkel bedrift, da tidsskalaerne involveret i målingen er ekstremt små.

For energibarrierer på størrelse med få milliarddeler af en meter, som i vores eksperiment, nogle fysikere havde beregnet, at tunneleringsprocessen ville tage omkring hundrede attosekunder (1 attosekund er en milliarddel af en milliarddel af et sekund).

For at sætte tingene i perspektiv, hvis et attosekund er strakt til et sekund, så er et sekund lig med universets alder.

De estimerede tider er så ekstremt små, at de tidligere blev behandlet som praktisk talt øjeblikkelige. Derfor havde vi brug for et ur til vores eksperiment, der kan time disse begivenheder med enorm nøjagtighed og præcision.

De teknologiske fremskridt inden for ultrahurtige lasersystemer gjorde det muligt for os at implementere et sådant ur på Australian Attosecond Science Facility, Center for Quantum Dynamics, ved Griffith University.

Uret i eksperimentet er ikke mekanisk eller elektrisk - det er snarere den roterende elektriske feltvektor for en ultrahurtig laserpuls.

Lys er bare elektromagnetisk stråling lavet af elektriske og magnetiske felter, der varierer hurtigt. Vi brugte dette hurtigt skiftende felt til at fremkalde tunneling i atombrint og også som stopur til at måle, hvornår det ender.

Hvor hurtigt?

Valget af at bruge atombrint (som simpelthen er et bundet par af en elektron og en proton) undgår de komplikationer, der opstår fra andre atomer, gør det lettere at sammenligne og fortolke resultaterne entydigt.

Den tunnelingstid, vi målte, viste sig at være højst 1,8 attosekunder, meget mindre end nogle teorier havde forudsagt. Denne måling kræver en seriøs genovervejelse af vores forståelse af tunneldynamik.

Forskellige teorier estimerede en række tunneltider - fra nul til hundredvis af attosekunder - og der var ingen konsensus blandt fysikere om, hvilket enkelt teoretisk skøn var korrekt.

En grundlæggende årsag til uenighederne ligger i selve tidsbegrebet i kvantemekanikken. På grund af kvanteusikkerhed, der kan ikke være nogen absolut sikkerhed på det tidspunkt, hvor en partikel kommer ind i eller kommer ud af barrieren.

Men eksperimenter som vores, ved hjælp af præcise målinger på enkle systemer, kunne guide os i at forfine vores forståelse af sådanne tider

De næste teknologier

Kvantespring i den teknologiske verden er ofte forankret i jagten på grundlæggende videnskab.

Fremtidige kvanteteknologier, der inkorporerer mange af kvanteegenskaberne - såsom superposition og sammenfiltring - vil føre til, hvad teknologer kalder den "anden kvanterevolution".

Ved fuldt ud at forstå kvantedynamikken i den enklest mulige atomtunnelhændelse - med en enkelt proton og en enkelt elektron - har vi vist, at visse typer teorier kan stole på for at give det rigtige svar, hvor andre former for teorier fejler.

Dette giver os tillid til, hvilke teorier vi skal anvende på andre, mere komplicerede systemer.

Målinger på attosecond skala tilføjer ikke kun en ekstra dimension til fremtidens kvanteteknologier, men kan også grundlæggende hjælpe med at forstå kvanterummets elefant:hvad er tid ?

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.