Fysikere ser på kvantepartikler som går gjennom faste barrierer. Her er hva de fant.

Kvanteverdenen er en ganske vill verden, der det tilsynelatende umulige skjer hele tiden: Teensy gjenstander adskilt med miles er bundet til hverandre, og partikler kan til og med være to steder samtidig. Men en av de mest forvirrende kvantesuperkreftene er bevegelsen av partikler gjennom tilsynelatende ugjennomtrengelige barrierer.

Nå har et team av fysikere tenkt ut en enkel måte å måle varigheten av dette bisarre fenomenet, kalt kvantetunneling. Og de fant ut hvor lang tid tunnelen tar fra start til slutt - fra det øyeblikket en partikkel kommer inn i barrieren, tunneler gjennom og kommer ut på den andre siden, rapporterte de online 22. juli i tidsskriftet Nature.

Kvantetunneling er et fenomen der et atom eller en subatomisk partikkel kan vises på motsatt side av en barriere som burde være umulig for partikkelen å trenge gjennom. Det er som om du gikk og møtte en tre meter høy mur som strekker seg så langt øyet kan se. Uten en stige eller Spider-man klatreferdighet, ville veggen gjøre det umulig for deg å fortsette.

I slekt: De 18 største uløste mysteriene innen fysikk

I kvanteverdenen er det imidlertid sjelden, men mulig, at et atom eller elektron ganske enkelt "dukker opp" på den andre siden, som om en tunnel hadde blitt gravd gjennom veggen. "Kvantetunneling er et av de mest forundrende kvantefenomenene," sa studieforfatter Aephraim Steinberg, meddirektør for Quantum Information Science Program ved Canadian Institute for Advanced Research. "Og det er fantastisk at vi nå kan studere det på denne måten."

Kvantetunneling er ikke nytt for fysikere. Det danner grunnlaget for mange moderne teknologier som elektroniske brikker, kalt tunneldioder, som gir mulighet for bevegelse av elektrisitet gjennom en krets i den ene retningen, men ikke den andre. Skanning av tunnelmikroskop (STM) bruker også tunneling for bokstavelig talt å vise individuelle atomer på overflaten av et fast stoff. Rett etter at den første STM ble oppfunnet, rapporterte forskere ved IBM å bruke enheten for å stave bokstavene IBM ved bruk av 35 xenonatomer på et nikkelunderlag.

Mens lovene om kvantemekanikk tillater kvantetunneling, vet forskerne fremdeles ikke nøyaktig hva som skjer mens en subatomisk partikkel gjennomgår tunneleringsprosessen. Noen forskere trodde faktisk at partikkelen vises øyeblikkelig på den andre siden av barrieren som om den øyeblikkelig teleporterte der, rapporterte Sci-News.com.

Forskere hadde tidligere prøvd å måle hvor lang tid det tar for tunneling å skje, med varierende resultater. En av vanskelighetene i tidligere versjoner av denne typen eksperimenter er å identifisere øyeblikket tunnelen starter og stopper. For å forenkle metodikken brukte forskerne magneter for å lage en ny type "klokke" som bare ville hake mens partikkelen tunneller.

Subatomiske partikler har alle magnetiske egenskaper, og når magneter er i et eksternt magnetfelt, roterer de som en spinnende topp. Rotasjonsmengden (også kalt presisjon) avhenger av hvor lenge partikkelen bades i det magnetiske feltet. Når jeg visste at Toronto-gruppen brukte et magnetfelt for å danne deres barriere. Når partikler er inne i barrieren, trengs de. Utenfor det gjør de ikke det. Så å måle hvor lang tid partiklene prcess fortalte forskerne hvor lang tid det tok atomene å tunnelere gjennom barrieren.

I slekt: 18 ganger kvantepartikler sprengte hodet på oss

"Eksperimentet er en fantastisk teknisk prestasjon," sa Drew Alton, fysikkprofessor ved Augustana University, i South Dakota.

Forskerne forberedte omtrent 8000 rubidiumatomer, avkjølte dem i en milliarddel grad over absolutt null. Atomene måtte være denne temperaturen, ellers ville de ha beveget seg tilfeldig i høye hastigheter, i stedet for å bo i en liten klump. Forskerne brukte en laser for å lage den magnetiske barrieren; de fokuserte laseren slik at barrieren var 1,3 mikrometer (mikron) tykk, eller tykkelsen på omtrent 2500 rubidiumatomer. (Så hvis du var en fot tykk, foran til bak, ville denne barrieren tilsvarer omtrent en halv kilometer tykk.) Ved å bruke en annen laser, forsket forskerne rubidiumatomene mot barrieren og flyttet dem omtrent 0,15 inches per sekund (4 millimeter / s).

Som forventet spratt de fleste av rubidiumatomer av barrieren. På grunn av kvantetunneling trengte imidlertid omtrent 3% av atomene inn i barrieren og dukket opp på den andre siden. Basert på de atomer at de tok, tok det dem omtrent 0,6 millisekunder å krysse barrieren.

-De 11 største ubesvarte spørsmålene om mørk materie

-Infographic: Slik fungerer kvanteforviklinger

-De 12 viktigste og imponerende kvanteeksperimentene

Chad Orzel, en førsteamanuensis i fysikk ved Union College i New York, som ikke var en del av studien, applauderte eksperimentet, "Eksperimentet deres er genialt konstruert for å gjøre det vanskelig å tolke som noe annet enn det de sier," sa Orzel , forfatter av "Hvordan lære kvantemekanikk til hunden din" (Scribner, 2010) Det "er et av de beste eksemplene du vil se på et tankeeksperiment gjort ekte," la han til.

Eksperimenter som undersøker kvantetunneling er vanskelig, og videre forskning er nødvendig for å forstå implikasjonene av denne studien. Toronto-gruppen vurderer allerede forbedringer av apparatene sine for ikke bare å bestemme varigheten av tunnelprosessen, men også for å se om de kan lære noe om atomenes hastighet på forskjellige punkter inne i barrieren. "Vi jobber med en ny måling der vi gjør barrieren tykkere og deretter bestemmer mengden av presisjon på forskjellige dybder," sa Steinberg. "Det vil være veldig interessant å se om atomenes hastighet er konstant eller ikke."

I mange tolkninger av kvantemekanikk er det umulig - selv ikke i prinsippet - å bestemme en subatomisk partikkels bane. En slik måling kan føre til innsikt i kvanteteoriens forvirrende verden. Kvanteverdenen er veldig forskjellig fra den verdenen vi er kjent med. Eksperimenter som disse vil bidra til å gjøre det litt mindre mystisk.