Breaking the Speed ​​of Light: The Enigma of Quantum Tunneling

V úžasnom fenoméne kvantovej fyziky známom ako tunelovanie sa zdá, že častice sa pohybujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Darmstadtskí fyzici sa však domnievajú, že čas potrebný na to, aby častice dosiahli tunel, bol doteraz meraný nesprávne. Navrhujú novú metódu na zastavenie pohybu kvantových častíc.

V klasickej fyzike existujú tvrdé pravidlá, ktorým sa nemožno vyhnúť. Napríklad, ak kotúľajúca sa guľa nemá dostatok energie, nevylezie na kopec, ale pred dosiahnutím vrcholu sa otočí a obráti svoj smer. V kvantovej fyzike tento princíp nie je taký prísny: častica môže prekonať bariéru, aj keď nemá dostatok energie, aby ju prekonala. Pôsobí, ako keby prekĺzla tunelom, a preto je tento jav známy aj ako „kvantové tunelovanie“. To, čo sa zdá magické, má hmatateľné technologické aplikácie, napríklad vo flash pamäťových jednotkách.

Kvantové tunelovanie a relativita

V minulosti pritiahli určitú pozornosť experimenty, v ktorých častice tunelovali rýchlejšie ako svetlo. Koniec koncov, Einsteinova teória relativity zakazuje rýchlosti rýchlejšie ako svetlo. Otázkou teda je, či sa pri týchto experimentoch správne „zastavil“ čas potrebný na tunelovanie. Fyzici Patrick Schacht a Enno Giese z TU Darmstadt sledujú nový prístup k definovaniu „času“ pre tunelovú časticu. Teraz navrhol nový spôsob merania tohto času. Vo svojom experimente to merajú spôsobom, ktorý je podľa nich vhodnejší pre kvantovú povahu tunelovania. Návrh svojho experimentu publikoval v renomovanom časopise. vedecký pokrok,

Vlnovo-časticová dualita a kvantové tunelovanie

Podľa kvantovej fyziky majú malé častice ako atómy alebo ľahké častice dvojitú povahu.

V závislosti od experimentu sa správajú ako častice alebo ako vlny. Kvantové tunelovanie vrhá svetlo na vlnovú povahu častíc. „Balík vĺn“ sa valí smerom k bariére, čo možno prirovnať k návalu vody. Výška vlny udáva pravdepodobnosť, s akou sa častica zhmotní na tomto mieste, ak sa zmeria jej poloha. Ak vlnový balík narazí na energetickú bariéru, jeho časť sa odrazí. Malá frakcia však prenikne cez bariéru a je malá šanca, že častica bude viditeľná na druhej strane bariéry.

Prehodnotenie rýchlosti tunelovania

Predchádzajúce experimenty ukázali, že ľahká častica prejde po tunelovaní dlhšiu vzdialenosť ako častica s voľnou dráhou. Preto bude cestovať rýchlejšie ako svetlo. Vedci však museli definovať umiestnenie častice po jej prechode. Vybrali si najvyšší bod jeho vlnového balíka.

„Ale častica nesleduje dráhu v klasickom zmysle,“ namietal Enno Giese. Nie je možné povedať, kde sa častica v určitom čase nachádza. To sťažuje vyjadrenie o čase, ktorý trvá dostať sa z bodu A do bodu B.

Nový prístup k meraniu času výstavby tunela

Schacht a Giese sa na druhej strane riadia citátom Alberta Einsteina: „Čas je to, čo čítate z hodín.“ Navrhujú použiť samotnú tunelovaciu časticu ako hodiny. Druhá častica, ktorá neprechádza tunelom, slúži ako referencia. Porovnaním týchto dvoch prirodzených hodín je možné určiť, či čas pri kvantovom tunelovaní plynie pomalšie, rýchlejšie alebo rovnako rýchlo.

Tento prístup uľahčuje vlnová povaha častíc. Kmitanie vĺn je podobné kmitaniu hodín. Najmä Schacht a Giese navrhujú použitie atómov ako hodín. Energetické hladiny atómov oscilujú na určitých frekvenciách. po oslovení jedného atóm S laserovým impulzom sa jeho úrovne spočiatku zosynchronizujú – spustia sa atómové hodiny. Pri tunelovaní sa však rytmus mierne mení. Druhý laserový impulz spôsobuje interferenciu medzi dvoma vnútornými vlnami atómu. Detekcia rušenia umožňuje merať, ako ďaleko sú od seba dve vlny energetických hladín, čo je zase presné meranie uplynutého času.

Druhý atóm, ktorý netuneluje, slúži ako referencia na meranie časového rozdielu medzi tunelovaním a netunelovaním. Výpočty dvoch fyzikov ukazujú, že tunelová častica bude vykazovať mierne oneskorenie. „Hodiny, ktoré vytvorili tunel, sú o niečo staršie ako ostatné hodiny,“ hovorí Patrick Scheck, čo sa zdá byť v rozpore s experimentmi, ktoré pripisovali tunelovanie superluminálnemu pohybu.

Výzva pri implementácii experimentu

Teoreticky je možné test vykonať pomocou dnešnej technológie, hovorí Scheck, ale pre experimentátorov to predstavuje veľkú výzvu. Je to preto, že meraný časový rozdiel je len okolo 10^-26 Sekundy – extrémne krátky čas. Fyzici vysvetľujú, že pomáha používať mraky atómov ako hodiny a nie jednotlivé atómy. Efekt je tiež možné zosilniť, napríklad umelým zvýšením taktovacích frekvencií.

„Momentálne diskutujeme o tejto myšlienke s experimentálnymi spolupracovníkmi a sme v kontakte s našimi projektovými partnermi,“ hovorí Giese. Je dosť možné, že sa nejaký tím čoskoro rozhodne uskutočniť tento vzrušujúci experiment.

Odkaz: „Unifikovaná teória tunelového času podporovaná hodinami Ramsey“ od Patricka Schachta a Enna Giese, 19. apríla 2024, vedecký pokrok,
DOI: 10.1126/sciadv.adl6078