“量子穿隧效应”需要多长时间?瞬间就能完成

来源:新浪科技    作者:      2019-03-26 16:08

导语:

物理学家通过描述一个粒子能以多快速度穿过一个障碍物,从而解决了一个长达数十年的谜团。物理学家通过描述一个粒子能以多快速度穿过一个障碍物,从而解决了一个长达数十年的谜团。

新浪科技讯 北京时间3月26日消息,据国外媒体报道,在亚原子等级上,粒子可以像幽灵一样穿过看似不可逾越的屏障。

几十年以来,物理学家一直想知道“量子穿隧效应”需要多长时间,现在经过3年的调查分析,一支由理论物理学家组建的国际团队找到了答案。依据一项最新研究,他们测量了来自氢原子的穿隧电子,发现它们穿隧时间很短暂,几乎是瞬间内完成。

粒子能够穿过固体不是因为它们非常小(虽然它们的确很小),而是因为物理规则在量子等级上存在差异。想象一下,一个球沿着山谷滚向珠穆朗玛峰一样高的斜坡,如果没有喷气背包的助推,球永远不会拥有足够的能量越过“珠穆朗玛峰”。但是亚原子粒子不需要越过,就能抵达另一侧。

粒子也是波,在空间中无限延伸。依据所谓的波动方程式,意味着可以在波的任何位置找到粒子。现在想象一下波撞击屏障,它持续撞击但会损耗能量,并且振幅(峰值的高度)下降很多。如果屏障足够薄,波振幅不会衰减至零。只要平坦波中还有剩余能量,粒子就有可能(尽管它们很小),穿过山丘抵达另一侧。

研究报告合著者、澳大利亚格里菲斯大学实验量子物理学家罗伯特·桑(Robert Sang)教授称,至少可以说,在量子层面上捕捉这种难以捉摸活动的实验是“非常具有挑战性”。你需要同时结合非常复杂的激光系统、反应显微镜和氢原子束系统。

量子隧穿实验用光脉冲轰击氢原子,然后用显微镜测量它们的动量。量子隧穿实验用光脉冲轰击氢原子,然后用显微镜测量它们的动量。

他们的建立确定了3个重要的参照点:与原子相互作用的起始点;一个自由电子从屏障后面出现的预期时间点;它真正出现的时间点。

研究人员使用一种叫做“attoclock”的光学计时装置,它是一种能够测量电子阿托秒等级移动的超短、偏振光脉冲,阿托秒相当十亿分之一秒的十亿分之一。研究人员报道称,“attoclock”以每秒1000脉冲的速度将氢原子沐浴在光中,从而使原子发生电离,使它们的电子穿越屏障。

罗伯特称,位于屏障另一侧的反应显微镜能够测量电离出现时的电子动量,反应显微镜能够探测到带电粒子与attoclock释放光脉冲相互作用后的能量水平。同时,我们可以推测电子穿过屏障所需的时间。目前我们能测量的精度为1.8阿托秒,因此我们能够得出结论——隧道效应一定小于1.8阿托秒,几乎是瞬间完成。

虽然测量系统非常复杂,但是研究人员实验中使用的原子非常简单,它们是氢原子,只包含一个电子。依据这项研究,其他研究人员此前实验中使用包含两个或者两个以上的电子,例如:氦、氩和氪。

由于自由电子可以彼此相互作用,这种交互性可以影响粒子的隧穿时间。从而解释为什么之前的研究预计时间比最新研究更长,而且比最新研究的估计时间长几十阿托秒。研究人员指出,氢原子结构的简单特征使研究人员可以实现超前的精度校准实验,这将为其他隧穿粒子的测量提供一个重要基准。目前这项最新研究报告发表在3月18日出版的《自然》杂志网络版上。(叶倾城)

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