V úžasnom fenoméne kvantovej fyziky známom ako tunelovanie sa zdá, že častice sa pohybujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Fyzici z Darmstadtu sa však domnievajú, že čas strávený časticami v tuneli bol doteraz meraný nesprávne. Navrhujú nový spôsob, ako zastaviť rýchlosť kvantových častíc.

V klasickej fyzike existujú prísne zákony, ktoré nemožno obísť. Napríklad, ak guľôčka nemá dostatok energie, nebude schopná prejsť cez kopec; Namiesto toho pred dosiahnutím vrcholu klesne. V kvantovej fyzike tento princíp nie je úplne striktný. Tu môže častica prekročiť bariéru, aj keď nemá dostatok energie, aby ju prekonala. Správa sa, ako keby kĺzala tunelom, a preto je tento jav známy aj ako „kvantové tunelovanie“. Tento jav zďaleka nie je len teoretickou mágiou, ale má praktické využitie, napríklad pri prevádzke flash pamäťových jednotiek.

Kvantové tunelovanie a relativita

V minulosti pritiahli určitú pozornosť experimenty s časticami rýchlejšími ako svetlo. Koniec koncov, Einsteinova teória relativity zakazuje rýchlosti rýchlejšie ako svetlo. Otázkou teda je, či bol čas potrebný na tunelovanie v týchto experimentoch správne „pozastavený“. Fyzici Patrick Schach a Eno Giese z univerzity v Darmstadte sledujú nový prístup k určovaniu „času“ tunelujúcej častice. Teraz navrhli nový spôsob merania tohto času. Vo svojom experimente to zmerali spôsobom, ktorý je podľa nich pre kvantový charakter tunelovania vhodnejší. Svoj dizajn experimentu zverejnili v slávnom časopise Pokrok vedy.

Vlnovo-časticová dualita a kvantové tunelovanie

Podľa kvantovej fyziky majú malé častice, ako sú atómy alebo častice svetla, dvojakú povahu.

V závislosti od experimentu sa správajú ako častice alebo ako vlny. Kvantové tunelovanie zvýrazňuje vlnovú povahu častíc. „Balík vlny“ sa valí smerom k bariére, podobne ako prúd vody. Výška vlny udáva pravdepodobnosť, že sa častica zhmotňuje na tomto mieste, ak by bola zmeraná jej poloha. Ak vlnový balík narazí na energetickú bariéru, jeho časť sa odrazí. Malá časť však prenikne cez bariéru a je malá možnosť, že sa častica objaví na druhej strane bariéry.

Prehodnotenie rýchlosti tunela

Predchádzajúce experimenty pozorovali, že ľahká častica prešla po tunelovaní dlhšiu vzdialenosť ako častica, ktorá mala voľnú dráhu. Preto by cestovala rýchlejšie ako svetlo. Vedci však museli určiť polohu častice po jej prechode. Vybrali si najvyšší bod v balíku vĺn.

„Častica však nesleduje cestu v klasickom zmysle,“ namieta Eno Giese. Nie je možné presne určiť, kde sa častica v danom čase nachádzala. To sťažuje stanovovanie času potrebného na prechod z bodu A do bodu B.

Nový prístup k meraniu času tunelovania

Na druhej strane, Shash Brief sa riadi citátom Alberta Einsteina: „Čas je to, čo čítate na hodinách. Navrhujú použiť samotnú tunelovú časticu ako hodiny. Druhá nespotrebovaná častica pôsobí ako referencia. Porovnaním týchto dvoch prirodzených hodín je možné určiť, či čas pri kvantovom tunelovaní plynie pomalšie, rýchlejšie alebo rovnakou rýchlosťou.

Tento prístup uľahčuje vlnová povaha častíc. Kmitanie vĺn je ako kmitanie hodín. Schach a Giese konkrétne navrhujú použitie atómov ako hodín. Energetické hladiny atómov oscilujú na určitých frekvenciách. Po oslovení A kukurica Pri laserovom impulze ich hladiny spočiatku synchrónne oscilujú – spustia sa atómové hodiny. Počas tunela sa rytmus mierne mení. Druhý laserový impulz spôsobí prekrytie dvoch vnútorných vĺn atómu. Detekcia rušenia umožňuje merať, ako ďaleko sú od seba dve vlny energetickej hladiny, čo je zase presné meranie uplynutého času.

Čo sa týka druhého atómu, ktorý nie je tunelovaný, slúži ako referencia na meranie časového rozdielu medzi kopaním tunelov a nekopaním tunelov. Výpočty fyzikov naznačujú, že tunelová častica sa objaví o niečo neskôr. „Hodiny, ktoré boli vykopané cez tunel, sú o niečo staršie ako ostatné hodiny,“ hovorí Patrick Schach. Zdá sa, že to odporuje experimentom, ktoré pripisovali rýchlosť svetla tunelovaniu.

Výzva pri realizácii experimentu

V zásade by sa test mohol vykonať pomocou súčasnej technológie, hovorí Schach, ale predstavuje obrovskú výzvu pre experimenty. Je to preto, že časový rozdiel, ktorý sa má merať, je len asi 10^-26 Sekundy – veľmi krátky čas. Fyzik vysvetľuje, že pomáha používať oblaky atómov ako hodiny namiesto jednotlivých atómov. Efekt je možné aj zosilniť, napríklad umelým zvýšením taktovacích frekvencií.

„Momentálne diskutujeme o tejto myšlienke s našimi experimentálnymi kolegami a sme v kontakte s našimi projektovými partnermi,“ dodáva Gizzi. Je veľmi pravdepodobné, že tím sa čoskoro rozhodne uskutočniť tento vzrušujúci experiment.

Odkaz: „Zjednotená teória tunelových časov podporovaná Ramsayho hodinami“ od Patricka Schacha a Ena Giese, 19. apríla 2024, Pokrok vedy.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078