Используя новый фазово-разрешенный аттоклок, исследователи обнаружили, что электроны не ждут во время квантового туннелирования.
Концептуальное изображение атома, на котором электроны туннелируют через энергетические барьеры.
EzumeImages/iStock
Представьте себе автомобиль, проезжающий через запертые ворота, не ломая их. Это звучит как сцена из научно-фантастического фильма, но в странном мире квантовой физики нечто столь же странное происходит в реальности.
Частицы, такие как электроны, иногда могут проходить через энергетические барьеры, которые они обычно не могут преодолеть, в процессе, известном как квантовое туннелирование. Это загадочное поведение является ключом ко всему, от ядерного синтеза в звездах до электроники в современных устройствах.
Однако ученые долгое время пытались ответить на один фундаментальный вопрос: сколько времени занимает это туннелирование? Это связано с тем, что временные масштабы невообразимо малы и происходят в течение аттосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды).
Однако новое исследование представляет новый метод, который упрощает процесс измерения и наконец вносит ясность в эту давнюю загадку туннелирования.
Улучшенная техника аттоклокинга
В 2008 году швейцарский физик Урсула Келлер изобрела специальные инструменты, называемые аттоклоками, чтобы попытаться поймать процесс квантового туннелирования. Эти часы основаны на умной идее. Если вы ударите по атому мощным лазером, он может вырвать электрон, протолкнув его через квантовый барьер.
Поскольку свет имеет электрическое поле, которое вращается (представьте себе вращающийся электрический хлыст), угол, под которым выходит электрон, может дать подсказки о том, когда произошло туннелирование. Однако этот метод не идеален. Скручивающееся лазерное поле усложняет ситуацию, и исследователям нужны сложные модели для интерпретации результатов. Это часто приводит к ненадежным выводам.
«Attoclock — это недавно разработанная технология, которая обеспечивает беспрецедентное временное разрешение (до нескольких аттосекунд, т. е. 10-18 сек). Предполагается, что эта технология идеально подходит для измерения времени туннелирования. Однако даже после двух десятилетий интенсивной работы с использованием attoclock ответ на этот вопрос все еще не получен», — сказал Вэнь Ли, старший автор исследования и профессор Университета Уэйна.
Авторы исследования предлагают новый метод аттоклокинга. Вместо того, чтобы полагаться на старые подходы, которые используют закрученные эллиптические лучи света, они разработали установку, использующую идеально круглые световые волны.
Что еще важнее, они сосредоточились на чем-то, известном как фаза огибающей несущей (CEP), крошечном сдвиге между лазерным импульсом и пиком его электрического поля. Подумайте об этом как о синхронизации удара барабана с подъемом и падением волны.
Когда атом подвергается воздействию этого тщательно рассчитанного лазерного импульса, электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы вытащить электрон путем туннелирования. Улавливая момент, когда поле достигает своего пика, исследователи могут точно определить момент, когда электрон покидает атом.
«По сравнению с обычными измерениями аттоклоков, фазово-разрешенный аттоклок действительно отслеживает пик электрического поля, который является точным моментом, когда электроны туннелируют. Это подавляет любые не зависящие от времени факторы, которые искажают результаты», — сказал Ли. Поэтому этот новый метод гораздо надежнее старых методов.
Зачем нужно измерять квантовое туннелирование?
Когда команда провела эксперименты для проверки своего подхода, они обнаружили, что электрон, похоже, не останавливается и не застревает во время туннелирования. Фактически, задержка настолько мала, что ее почти не существует.
Более того, то, как электрон покидает пространство, на самом деле определяет не время, которое он тратит на туннелирование, а то, насколько сильно атом удерживал его изначально. Это бросает вызов некоторым традиционным идеям квантовой физики и может изменить то, как мы моделируем сверхбыстрые процессы в атомах и молекулах, — но это не все.
Авторы исследования также предполагают, что их метод фазового разрешения аттоклока достаточно стабилен и точен, чтобы его можно было адаптировать для химического анализа в реальном времени. Таким образом, он может дать ученым возможность наблюдать реакции по мере их протекания, что может трансформировать такие области, как разработка лекарств, нанотехнологии и даже квантовые вычисления.
«Поскольку эта методика надежна, в настоящее время мы работаем над ее превращением в спектроскопический метод, чтобы мы могли использовать его для изучения химии в режиме реального времени», — добавил Ли.
Однако все еще остаются крошечные, почти незаметные задержки, которые предстоит исследовать, и чтобы их обнаружить, команда планирует разработать инструмент следующего поколения — зептокластер, который сможет измерять время с точностью до зептосекунд (в тысячу раз короче аттосекунд).
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
