Сколько времени занимает квантовое туннелирование?
В некотором смысле квантовое туннелирование весьма простая вещь - это явление, при котором частица проходит через энергетический барьер, несмотря на отсутствие энергии для этого
Группа исследователей из Университета Торонто нашла способ измерить, как долго происходит квантовое туннелирование. В своей статье, опубликованной в журнале Nature, группа описывает эксперименты, которые они провели, и результат, который они обнаружили, пытаясь измерить, сколько времени занимает квантовое туннелирование при определенных обстоятельствах.
В некотором смысле квантовое туннелирование весьма простая вещь — это явление, при котором частица проходит через энергетический барьер, несмотря на отсутствие энергии для этого.
Ученые на самом деле точно не знают, как оно работает, но все равно нашли ему применение — например, сделали сканирующие туннельные микроскопы. Одним из факторов квантового туннелирования, который обсуждался физиками в течение последнего столетия, является то, сколько времени требуется частице, чтобы пройти через энергетический барьер.
Трудность ответа на этот вопрос заключается в определении самого времени и его применении к квантовому туннелированию.
В новой работе исследователи использовали упрощенный подход к измерению того, сколько времени требуется частице одного типа (атом рубидия), чтобы пройти через очень специфический энергетический барьер (лазерный луч).
«Часы» в их экспериментах представляли собой вращение (спин) используемых атомов рубидия — поскольку продолжительность их вращения является известной величиной, их можно использовать в качестве часов, измеряя, сколько вращения происходит, когда они подвергаются испытаниям, таким как прохождение через лазерный луч.
Таким образом, все, что нужно было сделать исследователям, — это отметить текущее состояние спина атома до того, как он вошел в пучок, а затем измерить его снова, когда он вышел.
Выполнение плана включало захват облака атомов рубидия с помощью лазерного луча, а затем использование того же лазерного луча для перемещения атомов на траекторию другого лазерного луча — и измерение их спина по обе стороны от второго луча.
Чтобы легче было измерить спин атомов, исследователи сначала сильно охладили облако, прежде чем отправить его через энергетический барьер. Измерение изменения спина показало, что туннелирование заняло приблизительно 0,62 миллисекунды*.
В дальнейших исследованиях ученые хотели бы узнать больше о траектории атомов, когда они движутся через барьер — и они также отмечают, что некоторые теории предполагают, что частицы могут двигаться через барьер, никогда не проходя через его внутреннюю часть.
*Миллисекунда — это одна тысячная (0,001 или 10-3 или 1/1000) секунды.
1 миллисекунда (1 мс) — время цикла для частоты 1 кГц; продолжительность света для типичной вспышки фото вспышки; время, необходимое для прохождения звуковой волны ок. 34 см.
От 1 миллисекунды до 5 миллисекунд — обычное время отклика на ЖК-мониторах компьютеров, 3 миллисекунды — взмах крыльев мухи.
Ramón Ramos et al. Measurement of the time spent by a tunnelling atom within the barrier region, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2490-7