Aatomiaatomite tasandil võivad osakesed lennata läbi näiliselt läbimatute tõkete, näiteks kummituste.
Füüsikud on aastakümnete vältel mõelnud, kui kaua see niinimetatud kvanttunneldamine võtab. Nüüd, pärast kolmeaastast uurimist, on rahvusvaheline teoreetiliste füüsikute meeskond vastuse leidnud. Nad mõõtsid uue uuringu kohaselt vesinikuaatomist tunnelielektroni ja leidsid, et selle läbimine toimus praktiliselt kohe.
Osakesed võivad tahkeid objekte läbida mitte seetõttu, et nad on väga väikesed (kuigi nad on), vaid seetõttu, et füüsika reeglid on kvanttasandil erinevad.
Kujutage ette kuuli, mis veereb orust allapoole nõlva, mis on sama kõrge kui Everesti mägi; ilma jetpacki tõuketa pole pallil kunagi piisavalt energiat mäe puhastamiseks. Kuid subatomiline osake ei pea teisele küljele pääsemiseks üle mäe minema.
Osakesed on ka lained, mis ulatuvad kosmoses lõpmatuseni. Niinimetatud lainevõrrandi kohaselt tähendab see, et osake võib leida laine suvalises asukohas.
Nüüd pildistage tõkkepuuga löövat lainet; see jätkub läbi, kuid kaotab energiat ja selle amplituud (tipu kõrgus) kaob alla. Kuid kui takistus on piisavalt õhuke, ei vähene laine amplituud nullini. Kuni lamestatud laines on veel energiat, on võimalus - ehkki väike -, et osake võib mäest läbi lennata ja teiselt poolt välja jõuda.
Katsete tegemine, mis hõlmasid seda vaevalist tegevust kvantitasandil, oli pehmelt öeldes "väga keeruline", rääkis uuringu kaasautor Robert Sang, eksperimentaalne kvantfüüsik ja Austraalia Griffithi ülikooli professor Live Science'i meilisõnumis.
"Peate ühendama väga keerulised lasersüsteemid, reaktsioonimikroskoobi ja vesiniku aatomi kiirkiirguse süsteemi, et kõik korraga töötada," ütles Sang.
Nende ülesehitus pani paika kolm olulist võrdluspunkti: nende koostoimimise algus aatomiga; aeg, millal vabanenud elektron pidi tõkke tagant välja tulema; ja aeg, millal see tegelikult ilmus, ütles Sang videos.
Hoides aega valgusega
Teadlased kasutasid optilist ajamõõteseadet, mida nimetatakse attoclockiks - ultraheli, polariseeritud valguse impulssid, mis on võimelised mõõtma elektronide liikumist attosekundini ehk miljardi sekundi sekundini. Nende attoclock leevendas vesiniku aatomeid valguses kiirusega 1000 impulssi sekundis, mis ioniseeris aatomeid nii, et nende elektronid pääsesid barjäärist läbi, teatasid teadlased.
Reaktsioonimikroskoop barjääri teisel küljel mõõtis elektronide tekkimise hetkeks. Reaktsioonimikroskoop tuvastab laetud osakese energiataset pärast seda, kui see interakteerub attoclocki valgusimpulsiga, "ja sellest saame järeldada barjääri läbimiseks kuluvat aega," rääkis Sang Live Science'ile.
"Täpsus, mille järgi seda mõõta võis, oli 1,8 sekundit," sõnas Sang. "Suutsime järeldada, et tunnel peab olema väiksem kui 1,8 sekundit" - lisas kohe.
Kuigi mõõtesüsteem oli keeruline, oli teadlaste katsetes kasutatud aatom lihtne - aatomiline vesinik, mis sisaldab vaid ühte elektroni. Teiste teadlaste eelnevates katsetes kasutati uuringu kohaselt aatomeid, mis sisaldasid kahte või enamat elektroni, näiteks heeliumi, argooni ja krüptooni.
Kuna vabanenud elektronid saavad üksteisega suhelda, võivad need interaktsioonid mõjutada osakeste tunneldamise aegu. See selgitas, miks varasemate uuringute hinnangud olid pikemad kui uues uuringus ja kümnete sekundite kaupa, selgitas Sang. Vesiniku aatomistruktuuri lihtsus võimaldas teadlastel kalibreerida oma katsed täpsusega, mis varasematel katsetel oli kättesaamatu, luues olulise võrdlusaluse, mille alusel saab nüüd mõõta teisi tunneldavaid osakesi, teatasid teadlased.
Tulemused avaldati veebis 18. märtsil ajakirjas Nature.
