原子レベルでは、粒子は幽霊のように見えない通行できない障壁を通過できます。
何十年もの間、物理学者たちは、このいわゆる量子トンネリングにどれだけ時間がかかるか疑問に思ってきました。さて、3年間の調査の後、理論物理学者の国際チームが答えを出しました。新しい研究によると、彼らは水素原子からのトンネル電子を測定し、その通過が実際に瞬間的であることを発見しました。
粒子は、非常に小さいからではなく）固体オブジェクトを通過できますが、物理レベルの規則が量子レベルで異なるためです。
エベレストと同じくらいの高さの坂に向かって谷を転がるボールを想像してください。ジェットパックからのブーストがなければ、ボールは丘をクリアするのに十分なエネルギーを持っていません。しかし、素粒子は丘を越えて反対側に行く必要はありません。
パーティクルも波であり、空間内を無限に広がります。いわゆる波動方程式によれば、これは粒子が波の任意の位置で見つかることを意味します。
ここで、波が障壁を打つ様子を想像してください。それは続きますが、エネルギーを失い、その振幅（ピークの高さ）は下に下がります。しかし、障害物が十分に薄い場合、波の振幅はゼロまで減衰しません。平坦化された波にエネルギーが残っている限り、小さな粒子ではありますが、粒子が丘を通過して反対側に飛び出す可能性があります。
量子レベルでこのとらえどころのない活動を捉えた実験を実施することは、控えめに言っても「非常に挑戦的」であり、実験的量子物理学者でオーストラリアのグリフィス大学の教授である研究共著者のロバートサンは、電子メールでライブサイエンスに伝えました。
「非常に複雑なレーザーシステム、反応顕微鏡、水素原子ビームシステムをすべて同時に動作させる必要がある」とサン氏は語った。
彼らのセットアップは、3つの重要な参照点を確立しました。原子との相互作用の開始。解放された電子が障壁の後ろから出現すると予想された時間。そして実際にそれが現れたとき、サンはビデオで言った。
光で時間を保つ
研究者達は、アトクロックと呼ばれる光学計時装置を使用しました。これは、電子のアト秒までの動き、または10億分の1億分の1秒までの測定が可能な極短の偏光パルスです。彼らのattoclockは、毎秒1000パルスの速度で水素原子を光に浴びせ、それが原子をイオン化し、電子が障壁を通って逃げることができると研究者達は報告した。
バリアの反対側にある反応顕微鏡は、電子が出現したときの電子の運動量を測定しました。反応顕微鏡は、アトクロックからの光パルスと相互作用した後、荷電粒子のエネルギーレベルを検出します。
「これを測定できる精度は1.8アト秒でした」とサン氏は語った。 「トンネリングは1.8アト秒未満である必要があると結論付けることができました」-ほぼ瞬時に、と彼は付け加えました。
測定システムは複雑でしたが、研究者の実験で使用された原子は単純でした-原子状水素で、電子は1つしか含まれていません。研究によると、他の研究者が行った以前の実験では、ヘリウム、アルゴン、クリプトンなどの2つ以上の電子を含む原子を使用していました。
自由電子は互いに相互作用する可能性があるため、これらの相互作用は粒子のトンネル時間に影響を与える可能性があります。これは、以前の研究の推定が新しい研究よりも長い理由を説明することができ、数十アト秒単位で、サンは説明した。水素の原子構造の単純さにより、研究者は以前の試みでは到達できなかった精度で実験を校正でき、他のトンネル粒子を測定できる重要なベンチマークを作成できると研究者たちは報告しました。
調査結果は、ジャーナルNatureの3月18日オンラインで公開されました。
