На субатомском нивоу, честице могу да лете кроз наизглед непролазне баријере попут духова.
Десетљећима се физичари питају колико траје ово такозвано квантно тунелирање. Након трогодишње истраге, међународни тим теоријских физичара има одговор. Они су измерили тунелирајући електрон са атома водоника и открили су да је његов пролаз практично тренутан, показала је нова студија.
Честице могу проћи кроз чврсте предмете, не зато што су врло мале (иако јесу), већ зато што су правила физике различита на квантном нивоу.
Замислите како се лопта котрља низ долину према падини високој попут Моунт Еверест-а; без појачања са млазног џепа, лопта никада не би имала довољно енергије да очисти брдо. Али субатомска честица не мора ићи преко брда да би стигла на другу страну.
Честице су такође таласи, који се протежу бесконачно у простору. Према такозваној таласној једначини, то значи да се честица може наћи у било којем положају на таласу.
Сада замислите како талас погађа баријеру; наставља се кроз, али губи енергију, и његова амплитуда (висина врха) опада. Али ако је препрека довољно танка, амплитуда таласа не опада до нуле. Све док је још увек остало мало енергије у заравњеном таласу, постоји шанса - иако мала - да честица може да лети преко брда и ван друге стране.
Спровођење експеримената који су обухватили ову неухватљиву активност на квантном нивоу, било је "најтеже" у најмању руку, коаутор студије Роберт Санг, експериментални квантни физичар и професор са Универзитета Гриффитх у Аустралији, казао је Ливе Сциенце е-поштом.
"Морате да комбинујете веома компликоване ласерске системе, реакциони микроскоп и систем атомског снопа водоника да би радили истовремено", рекао је Санг.
Њиховим постављањем утврђене су три важне референтне тачке: почетак њихове интеракције са атомом; време кад се очекивало да иза ослобођене баријере изађе ослобођени електрон; и време када се заиста појавило, рекао је Санг у видеу.
Чување времена са светлошћу
Истраживачи су користили оптички уређај за одређивање временског периода који се зове сат - ултра кратки, поларизовани светлосни импулси способни да мере кретање електрона према аттосекунди, или милијарду милијарду секунде. Њихов сат окупао је атоме водика у светлости брзином од 1000 импулса у секунди, што је јоне јонизирало да би њихови електрони могли да побегну кроз баријеру, известили су истраживачи.
Реакциони микроскоп на другој страни баријере измерио је замах електрона када се појавио. Реакциони микроскоп открива нивое енергије у напуњеној честици након што он утиче на светлосни пулс из сата, „и из тога можемо закључити колико је времена требало да се прође кроз баријеру“, рекао је Санг за Ливе Сциенце.
"Прецизност којом бисмо то могли да измеримо била је 1,8 аттосекунди", рекао је Санг. "Успели смо да закључимо да тунелирање мора бити мање од 1,8 атсесекунди" - скоро одмах, додао је.
Иако је мерни систем био сложен, атом коришћен у експериментима истраживача је био једноставан - атомски водоник, који садржи само један електрон. Пре експеримената које су спровели други истраживачи користили су атоме који су садржавали два или више електрона, попут хелијума, аргона и криптона, наводи се у студији.
Пошто ослобођени електрони могу међусобно да делују, те интеракције могу утицати на време тунелирања честица. То би могло објаснити зашто су процене претходних студија дуже него у новој студији и десетинама атсекунди, објаснио је Санг. Једноставност водоничне структуре атома омогућила је истраживачима да калибрирају своје експерименте тачношћу која је била недоступна у претходним покушајима, створивши важно мерило на основу којег се сада могу мерити остале честице тунела, известили су истраживачи.
Открића су објављена на мрежи 18. марта у часопису Натуре.
