Tunnelul cuantic necesită timp, arată un nou studiu

Particulele cuantice pot pătrunde prin bariere care ar trebui să fie impenetrabile, dar nu o fac instantaneu, sugerează un nou experiment.

Procesul, cunoscut sub numele de tunel cuantic, are loc extrem de rapid, ceea ce face dificilă confirmarea dacă durează deloc. Acum, într-un studiu al electronilor care scapă din atomii lor, oamenii de știință au indicat cât de mult durează particulele pentru a se tunel: aproximativ 100 de attosecunde sau 100 de miliarde de miliardime de secundă, raportează cercetătorii pe 14 iulie în Scrisori de revizuire fizică.

În tunelul cuantic, o particulă trece printr-o barieră, în ciuda faptului că nu are suficientă energie pentru a o traversa. E ca și cum cineva a rostogolit o minge pe un deal, dar nu i-a dat o împingere suficient de puternică pentru a ajunge în vârf, și totuși, într-un fel, mingea a pătruns pe cealaltă parte.

Deși oamenii de știință știau că particulele pot tunel, până acum, „nu era chiar clar cum se întâmplă asta sau ce anume face particula”, spune fizicianul Christoph Keitel de la Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară din Heidelberg, Germania. Fizicienii teoreticieni au dezbătut mult timp între două opțiuni posibile. Într-un model, particula apare imediat pe cealaltă parte a barierei, fără un impuls inițial. În cealaltă, particulele durează să treacă prin tunel și iese din tunel cu un anumit impuls deja acumulat.

Keitel și colegii săi au testat tunelul cuantic prin aruncarea de gaze cu argon și cripton cu impulsuri laser. În mod normal, tracțiunea nucleului încărcat pozitiv al unui atom menține electronii strâns legați, creând o barieră electromagnetică în calea scăpării lor. Dar, având în vedere o zguduire de la un laser, electronii se pot elibera. Această zguduire slăbește bariera electromagnetică atât de mult încât electronii pot părăsi, dar numai prin tunel.

Deși oamenii de știință nu au reușit să măsoare timpul de tunel în mod direct, au stabilit experimentul astfel încât unghiul la care electronii s-au îndepărtat de atom să dezvăluie care dintre cele două teorii este corectă. Lumina laserului a fost polarizată circular – undele sale electromagnetice s-au rotit în timp, schimbând direcția mișcării undelor. Dacă electronul ar scăpa imediat, laserul l-ar împinge într-o direcție anume. Dar dacă tunelul ar dura timp, direcția laserului s-ar fi rotit până când electronul a scăpat, astfel încât particula ar fi împinsă într-o direcție diferită.

Compararea argonului și a criptonului a permis oamenilor de știință să anuleze erorile experimentale, ceea ce a condus la o măsurare mai sensibilă, care a reușit să facă distincția între cele două teorii. Datele s-au potrivit cu predicțiile bazate pe teoria conform căreia tunelarea necesită timp.

Concluzia se potrivește cu așteptările unor fizicieni. „Sunt destul de sigură că timpul de tunel nu poate fi instantaneu, pentru că la final, în fizică, nimic nu poate fi instantaneu”, spune fizicianul Ursula Keller de la ETH Zurich. Rezultatul, spune ea, este de acord cu un experiment anterior efectuat de echipa ei.

Alți oameni de știință încă mai cred că tunelul instantaneu este posibil. Fizicianul Olga Smirnova de la Institutul Max Born din Berlin notează că concluziile lui Keitel și ale colegilor contrazic cercetările anterioare. În calculele teoretice ale tunelurilor în sisteme foarte simple, Smirnova și colegii nu au găsit nicio dovadă a timpului de tunel. Complexitatea atomilor studiați în noul experiment ar fi putut duce la discrepanța, spune Smirnova. Totuși, experimentul este „foarte precis și făcut cu mare grijă”.

Deși tunelul cuantic poate părea un concept ezoteric, oamenii de știință l-au valorificat în scopuri practice. Microscoapele de scanare cu tunel, de exemplu, folosesc electroni de tunel pentru a imaginea atomii individuali. Pentru un proces fundamental atât de important, spune Keller, fizicienii trebuie să fie siguri că îl înțeleg. „Nu cred că putem închide încă capitolul despre discuție”, spune ea.


Nota editorului: Această poveste a fost actualizată la 1 august 2017, pentru a clarifica modul în care electronii pot scăpa dintr-un atom.