Найти тему
У-Янус

Сколько длится квантовый туннельный эффект?

Туннелирование – это один из показательных эффектов квантовой теории, когда микрочастица преодолевает потенциальный барьер, по классическим представлениям обладая недостаточной для этого энергией. При этом эффект хорошо виден в эксперименте, и более того, успешно используется. В качестве примера тут уместно привести электронный микроскоп – весьма сложное устройство, позволяющее при определенных обстоятельствах сделать снимок атома!

Тем не менее, несмотря на практические успехи, в действительности физикам на протяжении последних ста лет не удается описать процесс туннелирования. Более того, не было даже достоверных методов измерения таких, казалось бы, обыденных параметров процесса как время, за которое частица пройдет сквозь барьер. Причем трудность ответа на этот вопрос не столько техническая, сколько концептуальная – при прохождении барьера мы рассматриваем частицу как размазанную в пространстве волну, поэтому вопрос о том, как считать протяженность процесса туннелирования, крайне важен.

В своей недавней работе команда ученых из Университета Торонто предложила эксперимент, в котором время при туннелировании можно измерить напрямую. В качестве экспериментальной площадки они рассматривали поток атомов рубидий (частицы), проходящий сквозь лазерный луч (барьер). Такой выбор барьера был обусловлен тем, что в этом случае в роли «часов» могут выступать сами атомы. Внутри лазерного луча их магнитный момент взаимодействует с магнитной компонентой электромагнитного поля, заставляя их вращаться. Магнитный момент атомов пропорционален их спину. Поэтому, если заранее рассчитать характеристики вращения магнитного момент в луче, а потом определить направление спинов атомов до и после барьера, то по изменению направления спина можно установить время, затраченное атомами на туннелирование.

Конечно, реализуя такую идею на практике, ученые столкнулись с серьезными трудностями. Движение атомов рубидия нужно было контролировать, поэтому физикам приходилось подводить к барьеру и подхватывать их после него с помощью лазерного пинцета, иначе получить достоверную информацию было бы невозможно. Причем, чтобы избавиться от связанных с тепловым движением ошибок, газ из рубидия приходилось еще и сильно охлаждать. Зато в результате удалось достоверно измерить, что туннелирование заняло примерно 0,62 миллисекунды.

Хочу заметить, что тут нельзя говорить о каком-то глобальном прорыве в понимании физики процесса туннелирования. Хотя эксперимент и элегантный, но ученым предстоит ответить на множество вопросов, начиная с попытки установить траекторию частиц под барьером. Но вполне уверенно можно говорить о том, что оптические пинцеты всех типов медленно, но уверенно создают целую новую междисциплинарную отрасль в эксперименте – это устройство встречается последнее время в широком диапазоне исследований, начиная с ядерной физики и заканчивая квантовыми вычислениями.

Ramón Ramos et al. Measurement of the time spent by a tunnelling atom within the barrier region, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2490-7

Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.

Наука
7 млн интересуются