Vova Krasen
0 
1185
8
Świat kwantowy jest dość dziki, w którym to, co z pozoru niemożliwe, zdarza się cały czas: małe obiekty oddzielone kilometrami są ze sobą powiązane, a cząsteczki mogą znajdować się nawet w dwóch miejscach jednocześnie. Ale jedną z najbardziej kłopotliwych supermocy kwantowych jest ruch cząstek przez pozornie nieprzeniknione bariery.
Teraz zespół fizyków opracował prosty sposób pomiaru czasu trwania tego dziwacznego zjawiska, zwanego tunelowaniem kwantowym. I zorientowali się, jak długo trwa tunelowanie od początku do końca - od momentu, gdy cząstka wchodzi przez barierę, przechodzi przez tunel i wychodzi z drugiej strony, poinformowali w Internecie 22 lipca w czasopiśmie Nature.
Tunelowanie kwantowe to zjawisko, w którym atom lub cząstka subatomowa może pojawić się po przeciwnej stronie bariery, której penetracja powinna być niemożliwa. To tak, jakbyś szedł i napotkał wysoki na 10 stóp (3 metry) mur rozciągający się jak okiem sięgnąć. Bez drabiny lub umiejętności wspinaczkowych Spider-Mana ściana uniemożliwiłaby ci kontynuację.
Związane z: 18 największych nierozwiązanych zagadek w fizyce
Jednak w świecie kwantowym jest rzadkie, ale możliwe, aby atom lub elektron po prostu „pojawiały się” po drugiej stronie, tak jakby tunel został wykopany w ścianie. „Tunelowanie kwantowe jest jednym z najbardziej zagadkowych zjawisk kwantowych” - powiedział współautor badania Aephraim Steinberg, współdyrektor Quantum Information Science Program w Canadian Institute for Advanced Research. „I to fantastyczne, że możemy teraz faktycznie to badać w ten sposób”.
Tunelowanie kwantowe nie jest nowością dla fizyków. Stanowi podstawę wielu nowoczesnych technologii, takich jak chipy elektroniczne, zwane diodami tunelowymi, które umożliwiają przepływ energii elektrycznej przez obwód w jednym kierunku, ale nie w drugim. Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) również wykorzystują tunelowanie, aby dosłownie pokazać poszczególne atomy na powierzchni ciała stałego. Wkrótce po wynalezieniu pierwszego STM naukowcy z IBM poinformowali, że użyli urządzenia do przeliterowania liter IBM przy użyciu 35 atomów ksenonu na podłożu niklowym.
Chociaż prawa mechaniki kwantowej pozwalają na tunelowanie kwantowe, naukowcy wciąż nie wiedzą dokładnie, co się dzieje, gdy cząstka subatomowa przechodzi proces tunelowania. Rzeczywiście, niektórzy badacze sądzili, że cząstka pojawia się natychmiast po drugiej stronie bariery, jakby natychmiast się tam teleportowała, donosi Sci-News.com..
Naukowcy wcześniej próbowali zmierzyć czas potrzebny na wystąpienie tunelu, z różnymi wynikami. Jedną z trudności we wcześniejszych wersjach tego typu eksperymentów jest określenie momentu rozpoczęcia i zakończenia tunelowania. Aby uprościć metodologię, naukowcy wykorzystali magnesy do stworzenia nowego rodzaju „zegara”, który tykałby tylko podczas tunelowania cząstki.
Wszystkie cząstki subatomowe mają właściwości magnetyczne i kiedy magnesy znajdują się w zewnętrznym polu magnetycznym, obracają się jak bączek. Wielkość rotacji (zwana również precesją) zależy od tego, jak długo cząstka jest kąpana w tym polu magnetycznym. Wiedząc o tym, grupa z Toronto użyła pola magnetycznego do stworzenia swojej bariery. Kiedy cząsteczki znajdują się wewnątrz bariery, działają. Poza tym nie robią tego. Zatem zmierzenie, jak długo cząstki precesja, pokazało naukowcom, ile czasu zajęło tym atomom przejście przez barierę.
Związane z: 18 razy cząstki kwantowe rozwaliły nasze umysły
„Eksperyment to zapierające dech w piersiach osiągnięcie techniczne” - powiedział Drew Alton, profesor fizyki na Uniwersytecie Augustana w Dakocie Południowej.
Naukowcy przygotowali około 8 000 atomów rubidu, schłodzili je do jednej miliardowej stopnia powyżej zera bezwzględnego. Atomy musiały mieć tę temperaturę, w przeciwnym razie poruszałyby się losowo z dużymi prędkościami, zamiast pozostawać w małej grupie. Naukowcy użyli lasera do stworzenia bariery magnetycznej; Skupili laser tak, aby bariera miała grubość 1,3 mikrometra (mikrona), czyli około 2500 atomów rubidu. (Więc gdybyś miał stopę grubości, od przodu do tyłu, ta bariera byłaby odpowiednikiem grubości około pół mili). Używając innego lasera, naukowcy popchnęli atomy rubidu w kierunku bariery, przesuwając je z prędkością około 0,15 cala na sekundę (4 milimetry / s).
Zgodnie z oczekiwaniami większość atomów rubidu odbiła się od bariery. Jednak ze względu na tunelowanie kwantowe około 3% atomów przeniknęło przez barierę i pojawiło się po drugiej stronie. Opierając się na precesji tych atomów, pokonanie bariery zajęło im około 0,6 milisekundy.
Związane z-11 największych pytań bez odpowiedzi dotyczących ciemnej materii
-Infografika: Jak działa splątanie kwantowe
-12 najważniejszych i oszałamiających eksperymentów kwantowych
Chad Orzel, profesor fizyki w Union College w Nowym Jorku, który nie brał udziału w badaniu, pochwalił eksperyment: „Ich eksperyment jest genialnie skonstruowany, aby utrudnić interpretację czegoś innego niż to, co mówią” - powiedział Orzel , autor książki „How to Teach Quantum Mechanics to Your Dog” (Scribner, 2010). „Jest to jeden z najlepszych przykładów urzeczywistnienia eksperymentu myślowego” - dodał..
Eksperymenty dotyczące tunelowania kwantowego są trudne i potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć implikacje tego badania. Grupa z Toronto rozważa już ulepszenie swojego aparatu, aby nie tylko określić czas trwania procesu tunelowania, ale także sprawdzić, czy mogą dowiedzieć się czegoś o prędkości atomów w różnych punktach wewnątrz bariery. „Pracujemy nad nowym pomiarem, w którym pogrubiamy barierę, a następnie określamy wielkość precesji na różnych głębokościach” - powiedział Steinberg. "To będzie bardzo interesujące zobaczyć, czy prędkość atomów jest stała, czy nie."
W wielu interpretacjach mechaniki kwantowej niemożliwe jest - nawet w zasadzie - określenie trajektorii cząstki subatomowej. Taki pomiar może doprowadzić do wglądu w zagmatwany świat teorii kwantów. Świat kwantowy bardzo różni się od świata, który znamy. Eksperymenty takie jak te pomogą uczynić ją mniej tajemniczą.
Zobacz wszystkie komentarze (10)