現在,研究人員死死盯上了量子魔術師的舞台,希望找到隱藏的機關,搞清楚戲法的奧妙。

量子隧穿是量子物理學中一個已經得到充分驗證的現象:一個粒子可以在能量不足的情況下穿越某處屏障。

教科書上最常用的一個類比例子就是山腳下的小球:在經典物理學中,你需要賦予小球足夠的動能才能讓它滾動到山頂,然後再順坡滾動到山的另一邊。

但是在量子物理學中,由於物體的位置和動量具有“不確定性”的製約關係——這是量子力學中的核心概念,因此小球可以用更少的能量穿山而過,到達山的另一邊。

數十年來,這個問題始終令科學家困惑不已——尤其是量子隧穿過程(小球從山腳到另一邊),到底用去了多少時間。

最新的實驗裡使用氫原子,研究人員發現,當前情況下,隧穿是瞬間發生的。

之前也有過類似的實驗,但是現在科學家們擁有了一種被稱為attoclock的特殊設備:一種利用光的特性來測量粒子的設備。

“使用結構最簡單的氫原子,我們發現並沒有能夠被測量到的時間延遲。”來自澳大利亞格里菲斯大學的團隊成員Robert Sang說道。

Attoclock每秒發出1000道超短脈衝與氫原子相互作用,脈衝具有30千兆瓦的瞬時功率。這創造了原子的單個電子穿越能量勢壘的條件。

使用原子結構簡單的氫原子,該團隊能夠消除先前量子隧穿實驗中無法避免的近似值。

“有了一個定義明確的點,使我們知道該在那裡開始,且如果隧穿是瞬間完成的,也可以知道電子應該在哪裡出現。”Sang說,“我們可以通過電子出現的位置,來計算穿越勢壘所消耗的時間。這就是實驗的基本思路。”

“結果在實驗誤差內支持了瞬時隧穿的理論。”

這是量子力學的另一個神秘之處,也是物理學家自20世紀30年代以來一直在努力解決的棘手問題,如今終於取得了進展。

量子隧穿效應具有實際應用價值,從電子顯微鏡到計算機內部的晶體管都依賴這一量子特性。甚至有人認為,可以藉助量子隧穿效應從過量輻射和廢熱中獲取能量。所以,相關知識越豐富,對科技發展就越有利

與此同時,基於氫原子的新研究可以作為其他原子實驗的基礎,這可能會引出大量的新發現。

研究人員之一、格里菲斯大學的Igor Litvinyuk說:“因為我們實驗中用到的氫原子具有零延遲隧穿效應,因此所有其他實驗都可以用它來校準時間。”

該研究發表在Nature上。






【文章參考】 煎蛋網
【文章翻譯】 majer
【文章整理】 AICL

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