Physiker beobachten, wie Quantenteilchen durch feste Barrieren tunneln. Folgendes haben sie gefunden.

Die Quantenwelt ist eine ziemlich wilde Welt, in der das scheinbar Unmögliche die ganze Zeit passiert: Teensy-Objekte, die durch Meilen getrennt sind, sind miteinander verbunden, und Teilchen können sich sogar an zwei Orten gleichzeitig befinden. Eine der verwirrendsten Quantensupermächte ist jedoch die Bewegung von Teilchen durch scheinbar undurchdringliche Barrieren.

Jetzt hat ein Team von Physikern einen einfachen Weg gefunden, um die Dauer dieses bizarren Phänomens zu messen, das als Quantentunneln bezeichnet wird. Und sie fanden heraus, wie lange der Tunnelbau von Anfang bis Ende dauert - von dem Moment an, in dem ein Partikel in die Barriere eindringt, durch die andere Seite tunnelt und herauskommt, berichteten sie online am 22. Juli in der Zeitschrift Nature.

Quantentunneln ist ein Phänomen, bei dem ein Atom oder ein subatomares Teilchen auf der gegenüberliegenden Seite einer Barriere auftreten kann, in die das Teilchen nicht eindringen kann. Es ist, als ob Sie gehen und auf eine 3 Meter hohe Wand stoßen, die sich so weit das Auge reicht. Ohne eine Leiter oder Spider-Man-Kletterfähigkeiten würde die Wand es Ihnen unmöglich machen, weiterzumachen.

Verbunden: Die 18 größten ungelösten Rätsel der Physik

In der Quantenwelt ist es jedoch selten, aber möglich, dass ein Atom oder Elektron einfach auf der anderen Seite "erscheint", als wäre ein Tunnel durch die Wand gegraben worden. "Quantentunneln ist eines der rätselhaftesten Quantenphänomene", sagte der Co-Autor der Studie, Aephraim Steinberg, Co-Direktor des Quantum Information Science Program am Canadian Institute for Advanced Research. "Und es ist fantastisch, dass wir es jetzt tatsächlich auf diese Weise studieren können."

Quantentunneln ist für Physiker nichts Neues. Es bildet die Grundlage für viele moderne Technologien wie elektronische Chips, sogenannte Tunneldioden, die die Bewegung von Elektrizität durch einen Stromkreis in die eine, aber nicht in die andere Richtung ermöglichen. Rastertunnelmikroskope (STM) verwenden das Tunneln auch, um einzelne Atome auf der Oberfläche eines Festkörpers buchstäblich darzustellen. Kurz nach der Erfindung des ersten STM berichteten Forscher von IBM, dass sie mit dem Gerät die Buchstaben IBM mit 35 Xenonatomen auf einem Nickelsubstrat buchstabierten.

Während die Gesetze der Quantenmechanik das Quantentunneln erlauben, wissen die Forscher immer noch nicht genau, was passiert, während ein subatomares Teilchen den Tunnelprozess durchläuft. In der Tat dachten einige Forscher, dass das Partikel sofort auf der anderen Seite der Barriere erscheint, als würde es sofort dorthin teleportiert, berichtete Sci-News.com.

Zuvor hatten Forscher versucht, die Zeit zu messen, die zum Tunneln benötigt wird, mit unterschiedlichen Ergebnissen. Eine der Schwierigkeiten in früheren Versionen dieser Art von Experiment besteht darin, den Moment zu identifizieren, in dem das Tunneln beginnt und stoppt. Um die Methodik zu vereinfachen, verwendeten die Forscher Magnete, um eine neue Art von "Uhr" zu erstellen, die nur während des Tunnelns des Partikels tickt.

Subatomare Partikel haben alle magnetische Eigenschaften und wenn sich Magnete in einem externen Magnetfeld befinden, drehen sie sich wie ein Kreisel. Das Ausmaß der Rotation (auch Präzession genannt) hängt davon ab, wie lange das Partikel in diesem Magnetfeld gebadet ist. In diesem Wissen nutzte die Toronto-Gruppe ein Magnetfeld, um ihre Barriere zu bilden. Wenn sich Partikel innerhalb der Barriere befinden, setzen sie sich fort. Draußen tun sie es nicht. Die Messung der Prozessdauer der Partikel ergab für die Forscher, wie lange diese Atome brauchten, um durch die Barriere zu tunneln.

Verbunden: 18-mal Quantenpartikel haben uns umgehauen

"Das Experiment ist eine atemberaubende technische Leistung", sagte Drew Alton, Physikprofessor an der Augustana University in South Dakota.

Die Forscher stellten ungefähr 8.000 Rubidiumatome her und kühlten sie auf ein Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Die Atome mussten diese Temperatur haben, sonst hätten sie sich zufällig mit hoher Geschwindigkeit bewegt, anstatt in einem kleinen Klumpen zu bleiben. Die Wissenschaftler verwendeten einen Laser, um die magnetische Barriere zu erzeugen. Sie fokussierten den Laser so, dass die Barriere 1,3 Mikrometer (Mikrometer) dick war oder die Dicke von etwa 2.500 Rubidiumatomen. (Wenn Sie also einen Fuß dick wären, von vorne nach hinten, entspricht diese Barriere einer Dicke von etwa einer halben Meile.) Mit einem anderen Laser stießen die Wissenschaftler die Rubidiumatome in Richtung der Barriere und bewegten sie etwa 0,15 Zoll pro Sekunde (4) Millimeter / s).

Wie erwartet prallten die meisten Rubidiumatome von der Barriere ab. Aufgrund des Quantentunnelns drangen jedoch etwa 3% der Atome in die Barriere ein und erschienen auf der anderen Seite. Basierend auf der Präzession dieser Atome brauchten sie ungefähr 0,6 Millisekunden, um die Barriere zu durchqueren.

-Die 11 größten unbeantworteten Fragen zur Dunklen Materie

-Infografik: Wie Quantenverschränkung funktioniert

-Die 12 wichtigsten und beeindruckendsten Quantenexperimente

Chad Orzel, ein außerordentlicher Professor für Physik am Union College in New York, der nicht an der Studie teilnahm, applaudierte dem Experiment: "Ihr Experiment ist genial konstruiert, um es schwierig zu machen, es als etwas anderes als das zu interpretieren, was sie sagen", sagte Orzel , Autor von "Wie Sie Ihrem Hund Quantenmechanik beibringen" (Scribner, 2010) "Es ist eines der besten Beispiele für ein realisiertes Gedankenexperiment", fügte er hinzu.

Experimente zur Erforschung des Quantentunnelns sind schwierig und es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Auswirkungen dieser Studie zu verstehen. Die Toronto-Gruppe erwägt bereits Verbesserungen an ihren Apparaten, um nicht nur die Dauer des Tunnelprozesses zu bestimmen, sondern auch zu prüfen, ob sie an verschiedenen Stellen innerhalb der Barriere etwas über die Geschwindigkeit der Atome lernen können. "Wir arbeiten an einer neuen Messung, bei der wir die Barriere dicker machen und dann das Ausmaß der Präzession in verschiedenen Tiefen bestimmen", sagte Steinberg. "Es wird sehr interessant sein zu sehen, ob die Geschwindigkeit der Atome konstant ist oder nicht."

In vielen Interpretationen der Quantenmechanik ist es - auch im Prinzip - unmöglich, die Flugbahn eines subatomaren Teilchens zu bestimmen. Eine solche Messung könnte zu Einsichten in die verwirrende Welt der Quantentheorie führen. Die Quantenwelt unterscheidet sich sehr von der uns bekannten Welt. Experimente wie diese werden dazu beitragen, dass es etwas weniger mysteriös wird.