Forskere efterlyser en ny måling af tid for tunnelering af partikler

I et forbløffende fænomen af ​​kvantefysik kendt som tunneling, ser partikler ud til at bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Men fysikere fra Darmstadt mener, at den tid, det tager for partikler at tunnelere, er målt forkert. De foreslår en ny metode til at stoppe kvantepartiklernes hastighed.

I klassisk fysik er der hårde regler, som ikke kan omgås. For eksempel, hvis en rullende bold ikke har nok energi, vil den ikke komme over en bakke, men vil vende rundt, før den når toppen og vende sin retning.

I kvantefysikken er dette princip ikke helt så strengt:en partikel kan passere en barriere, selvom den ikke har nok energi til at gå over den. Det virker, som om det glider gennem en tunnel, hvorfor fænomenet også er kendt som "kvantetunnelering". Det, der lyder magisk, har håndgribelige tekniske anvendelser, for eksempel i flash-hukommelsesdrev.

Tidligere tiltrak eksperimenter, hvor partikler tunnelerede hurtigere end lys, en del opmærksomhed. Når alt kommer til alt, forbyder Einsteins relativitetsteori hastigheder, der er hurtigere end lyset. Spørgsmålet er derfor, om den tid, der kræves til tunnelering, blev "stoppet" korrekt i disse forsøg. Fysikerne Patrik Schach og Enno Giese fra TU Darmstadt følger en ny tilgang til at definere "tid" for en tunnelpartikel.

De har nu foreslået en ny metode til at måle denne tid. I deres eksperiment måler de det på en måde, som de mener er bedre egnet til tunneldriftens kvantenatur. De har offentliggjort designet af deres eksperiment i Science Advances .

Ifølge kvantefysikken har små partikler som atomer eller lette partikler en dobbelt natur. Afhængigt af eksperimentet opfører de sig som partikler eller som bølger.

Kvantetunnelering fremhæver partiklernes bølgenatur. En "bølgepakke" ruller mod barrieren, hvilket kan sammenlignes med en bølge af vand. Bølgens højde angiver sandsynligheden for, at partiklen ville materialisere sig på dette sted, hvis dens position blev målt.

Hvis bølgepakken rammer en energibarriere, reflekteres en del af den. En lille del trænger dog igennem barrieren, og der er en lille sandsynlighed for, at partiklen dukker op på den anden side af barrieren.

Tidligere eksperimenter har observeret, at en lyspartikel har tilbagelagt en længere afstand efter tunnelkørsel end en, der havde en fri vej. Den ville derfor have rejst hurtigere end lyset. Forskerne var dog nødt til at definere placeringen af ​​partiklen efter dens passage. De valgte det højeste punkt på dens bølgepakke.

"Men partiklen følger ikke en vej i klassisk forstand," indvender Enno Giese. Det er umuligt at sige præcis, hvor partiklen er på et bestemt tidspunkt. Dette gør det vanskeligt at udtale sig om den tid, det tager at komme fra A til B.

Schach og Giese er derimod vejledt af et citat fra Albert Einstein:"Time is what you read off a clock." De foreslår at bruge selve tunnelpartiklen som et ur. En anden partikel, der ikke tunnelerer, tjener som reference. Ved at sammenligne disse to naturlige ure er det muligt at bestemme, om tiden går langsommere, hurtigere eller lige hurtigt under kvantetunnelering.

Partiklernes bølgenatur letter denne tilgang. Oscillationen af ​​bølger ligner oscillationen af ​​et ur. Specifikt foreslår Schach og Giese at bruge atomer som ure. Atomers energiniveauer svinger ved bestemte frekvenser. Efter at have adresseret et atom med en laserpuls, svinger dets niveauer indledningsvis synkroniseret – atomuret startes.

Under tunneling skifter rytmen dog en smule. En anden laserimpuls får atomets to indre bølger til at interferere. Detektering af interferensen gør det muligt at måle, hvor langt fra hinanden de to bølger af energiniveauerne er, hvilket igen er et præcist mål for den forløbne tid.

Et andet atom, som ikke tunnelerer, tjener som reference til at måle tidsforskellen mellem tunnelering og ikke-tunnelering. Beregninger fra de to fysikere tyder på, at tunnelpartiklen vil vise en lidt forsinket tid. "Det ur, der er tunneleret, er lidt ældre end det andet," siger Schach. Dette synes at modsige eksperimenter, der tilskrev superluminal hastighed til tunneling.

I princippet kan testen udføres med nutidens teknologi, siger Schach, men det er en stor udfordring for forsøgsledere. Dette skyldes, at tidsforskellen, der skal måles, kun er omkring 10 ^-26 sekunder - ekstremt kort tid. Det hjælper at bruge skyer af atomer som ure i stedet for individuelle atomer, forklarer fysikeren. Det er også muligt at forstærke effekten, for eksempel ved kunstigt at øge clock-frekvenserne.

"Vi diskuterer i øjeblikket denne idé med eksperimenterende kolleger og er i kontakt med vores projektpartnere," tilføjer Giese. Det er meget muligt, at et hold snart beslutter sig for at udføre dette spændende eksperiment.