På det subatomære nivået kan partikler fly gjennom tilsynelatende ubrukelige barrierer som spøkelser.
I flere tiår har fysikere lurt på hvor lang tid denne såkalte kvantetunnelleringen tar. Nå, etter en tre år lang undersøkelse, har et internasjonalt team av teoretiske fysikere et svar. De målte et tunneleringselektron fra et hydrogenatom og fant ut at passasjen praktisk talt var øyeblikkelig, ifølge en ny studie.
Partikler kan passere gjennom faste gjenstander ikke fordi de er veldig små (selv om de er), men fordi fysikkens regler er forskjellige på kvantnivå.
Se for deg en ball som ruller nedover en dal mot en skråning så høy som Mount Everest; uten et løft fra en jetpack ville ballen aldri ha nok energi til å rydde bakken. Men en subatomær partikkel trenger ikke å gå over bakken for å komme til den andre siden.
Partikler er også bølger, som strekker seg uendelig i verdensrommet. I følge den såkalte bølgeforlikningen betyr dette at en partikkel kan bli funnet i hvilken som helst posisjon på bølgen.
Se nå bølgen som treffer en barriere; den fortsetter gjennom, men mister energi, og amplituden (høyden på toppen) dypper langt ned. Men hvis hindringen er tynn nok, forfaller ikke bølgens amplitude ned til null. Så lenge det fortsatt er noe energi igjen i den flate bølgen, er det en viss sjanse - om enn en liten - at en partikkel kan fly gjennom bakken og ut på den andre siden.
Å gjennomføre eksperimenter som fanget denne unnvikende aktiviteten på kvantenivå var "veldig utfordrende" for å si det mildt, fortalte co-forfatter Robert Sang, en eksperimentell kvantefysiker og professor ved Griffith University i Australia, til Live Science i en e-post.
"Du må kombinere veldig kompliserte lasersystemer, et reaksjonsmikroskop og et atomatomstrålesystem for å fungere på samme tid," sa Sang.
Oppsettet deres etablerte tre viktige referansepunkter: starten på deres interaksjon med atomet; tiden som det ble forventet at et frigjort elektron skulle komme ut bak en barriere; og tiden da den faktisk dukket opp, sa Sang i en video.
Holder tiden med lys
Forskerne brukte en optisk tidtaksenhet som ble kalt en attoclock - ultrashort, polariserte lyspulser som var i stand til å måle elektroners bevegelser til attosekundet, eller en milliarddel av en milliardedels sekund. Attoklåsen deres badet hydrogenatomer i lys med en hastighet på 1000 pulser per sekund, som ioniserte atomene slik at elektronene deres kunne slippe ut gjennom barrieren, rapporterte forskerne.
Et reaksjonsmikroskop på den andre siden av en barriere målte elektronets momentum da det dukket opp. Reaksjonsmikroskopet oppdager energinivåer i en ladet partikkel etter at den har interaksjon med lyspulsen fra attoclocken, "og fra dette kan vi utlede tiden det tok å gå gjennom barrieren," sa Sang til Live Science.
"Presisjonen som vi kunne måle dette med var 1,8 attosekunder," sa Sang. "Vi var i stand til å konkludere med at tunnelen må være mindre enn 1,8 attosekunder" - nær umiddelbart, la han til.
Selv om målesystemet var sammensatt, var atomet som ble brukt i forskernes eksperimenter enkelt - atomhydrogen, som bare inneholder ett elektron. Tidligere eksperimenter utført av andre forskere brukte atomer som inneholdt to eller flere elektroner, som helium, argon og krypton, ifølge studien.
Fordi frigjorte elektroner kan samhandle med hverandre, kan disse interaksjonene påvirke partikelenes tunneltider. Det kan forklare hvorfor estimater fra tidligere studier var lengre enn i den nye studien, og med titalls attosekunder, forklarte Sang. Enkelheten i hydrogens atomstruktur tillot forskerne å kalibrere eksperimentene sine med en nøyaktighet som var utenfor rekkevidde i tidligere forsøk, og skapt et viktig målestokk som andre tunnelpartikler nå kan måles mot, rapporterte forskerne.
Funnene ble publisert online 18. mars i tidsskriftet Nature.
