Физики наблюдают, как квантовые частицы проходят сквозь твердые преграды.

Теперь команда физиков разработала простой способ измерения длительности этого странного явления, названного квантовым туннелированием. И они выяснили, сколько времени занимает туннелирование от начала до конца — с того момента, как частица входит в барьер, туннелирует через него и выходит с другой стороны, сообщили 22 июля в журнале Nature. Квантовое туннелирование — это явление, когда атом или субатомная частица могут появиться на противоположной стороне барьера, что должно быть невозможным для частицы. Это как если бы вы шли и столкнулись с трёхметровой стеной. Без лестницы стена будет непроходимой. Однако, в квантовом мире иногда атом или электрон просто появляется на другой стороне, как если бы в стене был прорыт туннель.

Квантовое туннелирование не ново для физиков. Оно лежит в основе многих современных технологий, таких как электронные чипы, называемые туннельными диодами, которые позволяют перемещать электричество по цепи в одном направлении, но не в другом. Сканирующие туннельные микроскопы (STM) также используют туннелирование, чтобы буквально показать отдельные атомы на поверхности твердого тела. Вскоре после того, как был изобретен первый STM, исследователи IBM сообщили об использовании устройства для написания букв IBM с использованием 35 атомов ксенона на никелевой подложке.

Хотя законы квантовой механики допускают квантовое туннелирование, исследователи до сих пор точно не знают, что происходит, когда субатомная частица проходит процесс туннелирования. Действительно, некоторые исследователи полагали, что частица мгновенно появляется по ту сторону барьера, как если бы она мгновенно телепортировалась туда. Исследователи ранее пытались измерить время, которое требуется для туннелирования, с различными результатами. Одна из трудностей в более ранних версиях этого типа эксперимента заключается в определении момента начала и остановки туннелирования. Чтобы упростить методику, исследователи использовали магниты для создания нового типа «часов», которые будут тикать только тогда, когда частица туннелирует.

Все субатомные частицы обладают магнитными свойствами, и когда магниты находятся во внешнем магнитном поле, они вращаются, как волчок. Величина вращения (также называемого прецессией) зависит от того, как долго частица находится в этом магнитном поле. Зная это, торонтская группа использовала магнитное поле для формирования своего барьера. Когда частицы находятся внутри барьера, они прецессируют. Поэтому измерение того, как долго частицы прецессируют, показало исследователям, сколько времени потребовалось этим атомам, чтобы туннелировать через барьер.

Исследователи приготовили около 8000 атомов рубидия, охладив их до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. Атомы должны были иметь такую ​​температуру, иначе они бы беспорядочно перемещались с высокой скоростью, а не оставались бы в небольшом скоплении. Ученые использовали лазер для создания магнитного барьера; они сфокусировали лазер так, чтобы барьер был толщиной 1,3 микрометра (микрон), или толщиной около 2500 атомов рубидия. Таким образом, если бы Вы были толщиной в фут, этот барьер был бы эквивалентен примерно полумиле в толщине. Используя другой лазер, ученые подталкивали атомы рубидия к барьеру, перемещая их примерно на 0,15 дюйма в секунду (4 мм/с). Как и ожидалось, большая часть атомов рубидия отскочила от барьера. Однако из-за квантового туннелирования около 3% атомов проникли через барьер и оказались на другой стороне. Судя по прецессии этих атомов, им потребовалось около 0,6 миллисекунды, чтобы пересечь барьер.