粒子可以穿过固体是因为物理法则体现在量子水平上有所不同

投稿人/来源:茶马星球视野 | 2019-03-25 14:19:05 |

在亚原子水平上,粒子可以如幽灵般飞过看似无法通行的障碍物。几十年来,物理学家们一直在思考这个所谓的量子隧穿需要多长时间。现在经过为期三年的调查,一个理论物理学家国际团队终于有了答案。根据一项最新的研究,他们测量了氢原子的隧穿电子,发现它的通过几乎是瞬间的。

粒子可以穿过过固体,并不是因为它们非常小,虽然它们确实十分小,而是因为物理法则体现在量子水平上有所不同。想象一下,一个球沿着山谷滚向珠穆朗玛峰一样高的斜坡,如果没有喷气背包的助推,球永远不会有足够的能量越过山丘。但是亚原子粒子不需要翻越山丘就能到达另一边。

粒子也是波,在空间中无限延伸。根据所谓的波动方程,这意味着可以在产生波的任何位置找到粒子。现在想象波撞击障碍物的场景,它继续前进,但失去了能量,它的峰值的高度有所下降。但如果障碍物足够薄,则波的振幅不会衰减到零。只要在扁平波中还剩下一些能量,粒子就仍然存在很小的可能性,会从山丘的另一侧飞出去。

该研究报告的共同作者,实验性量子物理学家,澳大利亚格里菲斯大学教授罗伯特桑表示,实验可以说是“非常具有挑战性”,因为是在量子水平层面捕捉这些难以捉摸的粒子活动。研究人员需要同时运动非常复杂的激光系统,反应显微镜和氢原子束系统,才能进行这项实验。他们的设置建立了三个重要的参考点:粒子与原子相互作用的开始时间,预计自由电子从屏障后面出现的时间以及实际出现的时间。

研究人员使用了一种名为attoclock的光学计时装置 ,这是一种超短的偏振光脉冲,能够测量电子在阿托秒精度的运动,那就是可以精确到十亿分之一秒的十亿分之一,1阿托秒等于千分之一飞秒。研究人员报告说,他们的attoclock以每秒1000个脉冲的速度将氢原子暴露在光脉冲下,这会使原子电离,从而使得它们的电子可以通过屏障逃逸。

屏障另一侧的反应显微镜测量电子出现时的动量,反应显微镜可以检测带电粒子与attoclock发出的光脉冲相互作用后的能量水平,从而推算出粒子通过屏障所需的时间。研究人员可以测量的精确度是1.8阿秒,而该研究得出的结论是量子隧穿一定小于1.8阿托秒,也就是0.00018飞秒,这可以说是灵光一闪的瞬时速度。

虽然测量系统很复杂,但研究人员实验中使用的原子很简单: 氢原子,它只含有一个电子。根据该研究显示信息,之前其他研究团队进行的实验使用了含有两个或多个电子的原子,如氦,氩和氪。由于自由电子可以相互作用,这些相互作用可以影响粒子的隧穿时间。 这可以解释为什么先前研究的估计量子隧穿时间比新研究更长,而且要比新研究的估计时间长几十阿秒。

氢原子结构的简单性,能够使研究人员以之前无法达到的高精度校准他们的实验,这为其他隧穿粒子的测量提供了一个重要的基准。