Auf subatomarer Ebene können Partikel wie Geister durch scheinbar unpassierbare Barrieren fliegen.
Seit Jahrzehnten fragen sich Physiker, wie lange dieses sogenannte Quantentunneln dauert. Nach dreijähriger Untersuchung hat nun ein internationales Team theoretischer Physiker eine Antwort. Sie maßen ein Tunnelelektron aus einem Wasserstoffatom und stellten laut einer neuen Studie fest, dass sein Durchgang praktisch augenblicklich erfolgte.
Teilchen können feste Objekte passieren, nicht weil sie sehr klein sind (obwohl sie es sind), sondern weil die Regeln der Physik auf Quantenebene unterschiedlich sind.
Stellen Sie sich einen Ball vor, der ein Tal hinunter zu einem Hang rollt, der so hoch ist wie der Mount Everest. Ohne einen Schub von einem Jetpack hätte der Ball nie genug Energie, um den Hügel zu räumen. Aber ein subatomares Teilchen muss nicht über den Hügel gehen, um auf die andere Seite zu gelangen.
Teilchen sind auch Wellen, die sich unendlich im Raum erstrecken. Nach der sogenannten Wellengleichung bedeutet dies, dass sich ein Teilchen an jeder Position auf der Welle befinden kann.
Stellen Sie sich nun die Welle vor, die auf eine Barriere trifft. es geht weiter durch, verliert aber Energie und seine Amplitude (die Höhe des Peaks) sinkt weit nach unten. Wenn das Hindernis jedoch dünn genug ist, fällt die Amplitude der Welle nicht auf Null ab. Solange noch etwas Energie in der abgeflachten Welle vorhanden ist, besteht eine - wenn auch kleine - Chance, dass ein Teilchen durch den Hügel und auf die andere Seite fliegt.
Die Durchführung von Experimenten, die diese schwer fassbare Aktivität auf Quantenebene festhielten, war gelinde gesagt "sehr herausfordernd", sagte der Co-Autor der Studie, Robert Sang, ein experimenteller Quantenphysiker und Professor an der Griffith University in Australien, Live Science in einer E-Mail.
"Sie müssen sehr komplizierte Lasersysteme, ein Reaktionsmikroskop und ein Wasserstoffatomstrahlsystem kombinieren, um alle gleichzeitig zu arbeiten", sagte Sang.
Ihr Aufbau legte drei wichtige Bezugspunkte fest: den Beginn ihrer Wechselwirkung mit dem Atom; die Zeit, in der ein freigesetztes Elektron hinter einer Barriere austreten sollte; und die Zeit, als es tatsächlich erschien, sagte Sang in einem Video.
Zeit mit Licht halten
Die Forscher verwendeten ein optisches Zeitmessgerät namens Attoclock - ultrakurze, polarisierte Lichtimpulse, mit denen die Bewegungen der Elektronen in der Attosekunde oder einer Milliardstel einer Milliardstel Sekunde gemessen werden können. Ihr Attoclock badete Wasserstoffatome mit einer Geschwindigkeit von 1000 Impulsen pro Sekunde in Licht, wodurch die Atome ionisiert wurden, so dass ihre Elektronen durch die Barriere entweichen konnten, berichteten die Forscher.
Ein Reaktionsmikroskop auf der anderen Seite einer Barriere maß den Impuls des Elektrons, wenn es austrat. Das Reaktionsmikroskop erfasst Energieniveaus in einem geladenen Teilchen, nachdem es mit dem Lichtimpuls des Attoclock interagiert hat. "Daraus können wir die Zeit ableiten, die zum Durchlaufen der Barriere benötigt wurde", sagte Sang gegenüber Live Science.
"Die Genauigkeit, mit der wir dies messen konnten, betrug 1,8 Attosekunden", sagte Sang. "Wir konnten daraus schließen, dass der Tunnelbau weniger als 1,8 Attosekunden betragen muss" - fast augenblicklich, fügte er hinzu.
Obwohl das Messsystem komplex war, war das in den Experimenten der Forscher verwendete Atom einfach - atomarer Wasserstoff, der nur ein Elektron enthält. Frühere Experimente anderer Forscher verwendeten Atome, die zwei oder mehr Elektronen enthielten, wie Helium, Argon und Krypton.
Da freigesetzte Elektronen miteinander interagieren können, können diese Wechselwirkungen die Tunnelzeiten der Partikel beeinflussen. Dies könnte erklären, warum die Schätzungen früherer Studien länger waren als in der neuen Studie, und um zehn Attosekunden, erklärte Sang. Die Einfachheit der Atomstruktur von Wasserstoff ermöglichte es den Forschern, ihre Experimente mit einer Genauigkeit zu kalibrieren, die bei früheren Versuchen unerreichbar war, und so einen wichtigen Maßstab zu schaffen, an dem jetzt andere Tunnelpartikel gemessen werden können, berichteten die Forscher.
Die Ergebnisse wurden online am 18. März in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
