Fizicienii urmăresc tunelul de particule cuantice prin bariere solide. Iată ce au găsit.

Lumea cuantică este una destul de sălbatică, în care aparent imposibilul se întâmplă tot timpul: obiectele adolescente separate de kilometri sunt legate între ele, iar particulele pot fi chiar în două locuri simultan. Însă una dintre cele mai periculoase superputeri cuantice este mișcarea particulelor prin bariere aparent impenetrabile.

Acum, o echipă de fizicieni a conceput o modalitate simplă de a măsura durata acestui fenomen bizar, numit tunel cuantic. Și și-au dat seama cât durează tunelul de la început până la sfârșit - din momentul în care o particulă intră în barieră, trece prin tuneluri și iese pe cealaltă parte, au raportat online 22 iulie în revista Nature.

Tunelarea cuantică este un fenomen în care un atom sau o particulă subatomică poate apărea pe partea opusă a unei bariere care ar trebui să nu poată pătrunde particulele. Este ca și cum ai merge pe jos și ai întâlni un zid de 10 metri înălțime (3 metri) care se extinde până la ochi. Fără o scară sau abilități de urcare Spider-Man, peretele ar face imposibil să continuați.

Legate de: Cele mai mari 18 mistere nesoluționate din fizică

Cu toate acestea, în lumea cuantică, este rar, dar posibil, ca un atom sau un electron să „apară” pur și simplu pe cealaltă parte, ca și cum un tunel ar fi fost săpat prin perete. „Tunelarea cuantică este una dintre cele mai nedumerite fenomene cuantice”, a declarat co-autorul studiului, Aephraim Steinberg, co-director al Programului de știință a informației cuantice la Institutul canadian de cercetare avansată. „Și este fantastic că acum suntem capabili să o studiem de fapt în acest fel”.

Tunelul cuantic nu este nou pentru fizicieni. Acesta constituie baza multor tehnologii moderne, cum ar fi cipurile electronice, numite diode tunel, care permit mișcarea electricității printr-un circuit într-o direcție, dar nu în cealaltă. Microscoape de tunelare cu scanare (STM) folosesc de asemenea tuneluri pentru a arăta literalmente atomi individuali de pe suprafața unui solid. La scurt timp după inventarea primului STM, cercetătorii de la IBM au raportat utilizarea dispozitivului pentru a scrie literele IBM folosind 35 de atomi de xenon pe un substrat de nichel..

Deși legile mecanicii cuantice permit tunelarea cuantică, cercetătorii încă nu știu exact ce se întâmplă în timp ce o particulă subatomică trece prin procesul de tunelare. Într-adevăr, unii cercetători au crezut că particulele apar instantaneu pe partea cealaltă a barierei, ca și cum ar fi teleportat instantaneu acolo, a informat Sci-News.com.

Cercetătorii au încercat anterior să măsoare perioada de timp necesară apariției tunelului, cu rezultate diferite. Una dintre dificultățile din versiunile anterioare ale acestui tip de experiment este identificarea momentului în care începe și se oprește tunelul. Pentru a simplifica metodologia, cercetătorii au folosit magneți pentru a crea un nou tip de „ceas” care ar bifa doar în timp ce particulele se tunelau.

Particulele subatomice au toate proprietățile magnetice, iar când magneții se află într-un câmp magnetic extern, se rotesc ca un vârf de filare. Cantitatea de rotație (numită și precesie) depinde de cât timp este scăldată particulele în acel câmp magnetic. Știind asta, grupul din Toronto a folosit un câmp magnetic pentru a-și forma bariera. Când particulele se află în interiorul barierei, acestea precesează. În afara ei, nu o fac. Așadar, măsurarea cât timp precesul de particule le-a spus cercetătorilor cât au durat acei atomi să se tuneleze prin barieră.

Legate de: De 18 ori particulele cuantice ne-au suflat mintea

"Experimentul este o realizare tehnică uluitoare", a spus Drew Alton, profesor de fizică la Universitatea Augustana, din Dakota de Sud.

Cercetătorii au pregătit aproximativ 8.000 de atomi de rubidiu, i-au răcit până la o miliardime de grade peste zero absolut. Atomii trebuiau să fie această temperatură, altfel s-ar fi mișcat în mod aleatoriu la viteze mari, mai degrabă decât să rămână într-un mic grup. Oamenii de știință au folosit un laser pentru a crea bariera magnetică; au focalizat laserul astfel încât bariera avea 1,3 micrometri (microni) grosime sau grosimea de aproximativ 2500 atomi de rubidiu. (Deci, dacă ai avea un picior gros, față înapoi, această barieră ar fi echivalentul a aproximativ o jumătate de milă grosime.) Folosind un alt laser, oamenii de știință au aruncat atomii de rubidiu spre barieră, mișcându-i aproximativ 0,15 inci pe secundă (4) milimetri / s).

Așa cum era de așteptat, majoritatea atomilor de rubidiu au dat peste barieră. Cu toate acestea, din cauza tunelării cuantice, aproximativ 3% din atomi au pătruns în barieră și au apărut pe partea cealaltă. Pe baza precesiunii acelor atomi, a fost nevoie de aproximativ 0,6 milisecunde pentru a traversa bariera.

-Cele mai mari 11 întrebări fără răspuns despre materia întunecată

-Infografic: cum funcționează înțelegerea cuantică

-Cele mai importante și uimitoare experimente cuantice

Chad Orzel, profesor asociat de fizică la Union College din New York, care nu a făcut parte din studiu, a aplaudat experimentul, „Experimentul lor este ingenios construit pentru a face dificilă interpretarea ca orice altceva decât ceea ce spun ei”, a spus Orzel. , autor al „Cum să înveți mecanica cuantică câinelui tău” (Scribner, 2010) Este „unul dintre cele mai bune exemple pe care le vei vedea despre un experiment gândit realizat real”, a adăugat el.

Experimentele care explorează tunelarea cuantică sunt dificile și sunt necesare cercetări suplimentare pentru a înțelege implicațiile acestui studiu. Grupul Toronto are în vedere deja îmbunătățiri ale aparatului lor pentru a determina nu numai durata procesului de tunelare, dar și pentru a vedea dacă pot învăța ceva despre viteza atomilor în diferite puncte din interiorul barierei. „Lucrăm la o măsurătoare nouă, în care facem ca bariera să fie mai groasă și apoi să determinăm cantitatea de precesiune la adâncimi diferite”, a spus Steinberg. "Va fi foarte interesant să vedem dacă viteza atomilor este constantă sau nu."

În multe interpretări ale mecanicii cuantice, este imposibil - chiar în principiu - să se determine traiectoria unei particule subatomice. O astfel de măsurare ar putea conduce la perspective în lumea confuză a teoriei cuantice. Lumea cuantică este foarte diferită de lumea cu care suntem familiarizați. Experimente ca acestea vor ajuta să devină un pic mai puțin misterios.