아 원자 수준에서 입자는 유령처럼 지나칠 수없는 장애물을 통과 할 수 있습니다.
수십 년 동안 물리학 자들은이 소위 양자 터널링이 얼마나 오래 걸리는지 궁금해했습니다. 이제 3 년간의 조사 끝에 국제 물리학 자 팀이 해답을 얻었습니다. 새로운 연구에 따르면, 그들은 수소 원자로부터 터널링 전자를 측정했으며 그 통과가 실제로 순간적이라는 것을 발견했다.
입자는 매우 작기 때문에 (물리적이지만) 물리 규칙이 양자 수준에서 다르기 때문에 고체 물체를 통과 할 수 있습니다.
에베레스트 산만큼 높은 경사면으로 계곡을 굴러 내려 오는 공을 상상해보십시오. 제트 팩으로 부스트하지 않으면, 공은 언덕을 깨끗이하기에 충분한 에너지를 갖지 못할 것입니다. 그러나 아 원자 입자는 언덕을 넘어 반대편으로 갈 필요가 없습니다.
입자는 또한 공간이며 무한히 확장되는 파동입니다. 소위 파동 방정식에 따르면, 이는 파동의 임의의 위치에서 입자가 발견 될 수 있음을 의미합니다.
이제 장벽을 치는 파도를 상상해보십시오. 계속 이어지지 만 에너지가 손실되고 진폭 (피크의 높이)이 줄어 듭니다. 그러나 장애물이 충분히 얇 으면 파도의 진폭이 0으로 감소하지 않습니다. 평평한 파도에 여전히 약간의 에너지가 남아있는 한, 작은 것이기는하지만 입자가 언덕을 통과하여 반대편으로 날아갈 가능성이 있습니다.
양자 수준에서이 애매한 활동을 포착 한 실험을 수행하는 것이 가장 어려운 것은 "매우 어려웠다"고 실험 양자 물리학 자이자 호주 그리피스 대학의 교수 인 로버트 상 (Robert Sang)은 Live Science에 이메일로 말했다.
"상당히 작동하려면 매우 복잡한 레이저 시스템, 반응 현미경 및 수소 원자 빔 시스템을 결합해야합니다."
그들의 설정은 세 가지 중요한 기준점을 확립했다 : 원자와의 상호 작용의 시작; 자유 전자가 장벽 뒤에서 나타날 것으로 예상 된 시간; 그리고 상이 실제로 등장한 시간은 비디오에서 말했다.
빛으로 시간을 유지
연구원들은 전자의 움직임을 아토초 또는 10 억분의 1 초로 측정 할 수있는 초단파 편광 광 펄스 인 attoclock이라는 광학 시간 유지 장치를 사용했습니다. 그들의 attoclock은 초당 1000 펄스의 속도로 수소 원자를 빛에 흘려 보냈으며, 이는 전자가 장벽을 통해 빠져 나갈 수 있도록 원자를 이온화시켰다.
장벽의 반대편에있는 반응 현미경은 전자의 운동량이 나타 났을 때이를 측정했습니다. 반응 현미경은 충전 된 입자가 attoclock의 광 펄스와 상호 작용 한 후 하전 입자의 에너지 수준을 감지하며 "우리는 장벽을 통과하는 데 걸리는 시간을 추론 할 수 있습니다"라고 Live Science는 말했습니다.
"이를 측정 할 수있는 정밀도는 1.8 초였습니다"라고 Sang은 말했습니다. "터널링이 1.8 attoseconds 미만이어야한다는 결론을 내릴 수있었습니다."
측정 시스템은 복잡했지만 연구원의 실험에 사용 된 원자는 단순했습니다. 단 하나의 전자를 포함하는 원자 수소입니다. 다른 연구자들에 의해 수행 된 이전의 실험은 헬륨, 아르곤 및 크립톤과 같은 두 개 이상의 전자를 함유 한 원자를 사용했다.
자유 전자는 서로 상호 작용할 수 있기 때문에 이러한 상호 작용은 입자의 터널링 시간에 영향을 줄 수 있습니다. 이는 이전 연구의 추정치가 새로운 연구보다 더 길었던 이유를 설명 할 수 있으며상은 수십 초씩 설명했다. 연구진은 수소 원자 구조의 단순성으로 인해 이전 시도에서 도달 할 수 없었던 정확도로 실험을 교정 할 수있어 다른 터널링 입자를 측정 할 수있는 중요한 벤치 마크를 만들 수 있다고 연구진은 밝혔다.
이 발견은 3 월 18 일자 Nature 지에 온라인으로 게재되었다.
