Fizikos eksperimentas: dalelės perėjo kiaurai sieną

Kartais dalelės gali praeiti pro sienas. Nors tai skamba kaip mokslinė fantastika, šis kvantinės mechanikos reiškinys gerai dokumentuotas ir ištyrinėtas.

Dabar mokslininkai daug tiksliau nei kada nors anksčiau išmatavo šio perėjimo per sieną triuko laiką. Jų gauti rezultatai skelbiami žurnale „Nature“.

Procesas vadinamas kvantiniu tuneliavimu. Jis vyksta tuomet, kai dalelė peržengia barjerą, kurio, atrodo, neturėtų įveikti. Šiuo atveju mokslininkai matavo elektronus, atitrūkstančius nuo atomų, nors jie neturi tam padaryti reikalingos energijos, skelbia LiveScience.com.

Kvantinis tuneliavimas įmanomas dėl bangiškos medžiagos prigimties. Kad ir kaip gluminančiai tai skamba, kvantiniame pasaulyje dalelės dažnai elgiasi panašiau į vandens bangas, o ne biliardo kamuolius. Tai reiškia, kad elektronas neegzistuoja vienoje vietoje vienu metu ir su viena energija. Jis egzistuoja kaip tikimybių banga.

„Elektronai apibūdinami bangos funkcijomis, kurios sklandžiai tęsiasi nuo atomų vidaus iki išorės – dalis elektrono visada yra už atomo“, – aiškina fizikas Manfredas Leinas iš Leibnico universiteto Hanoveryje, Vokietijoje.

Dabar fizikai, vadovaujami Drodo Shafiro iš Izraelio Weizmanno mokslo instituto, paskatino elektronus tuneliuoti iš atomų, ir matavo, kad jie tai atlieka per 200 atosekundžių (atosekundė – 10-18 sekundės).

Energijos barjerui, kuris paprastai elektroną sulaikytų helio atome, nuslopinti tyrėjai naudojo lazerio šviesą. Šis lazeris sumažina barjero stiprumą kaip tik pakankamai, kad elektronas neturėtų pasprukti nuo atomo reikiamos energijos, tačiau galėtų jį apgauti ir tuneliuoti. (Lazeris taip pat grąžina atomą atgal pas motininį atomą po to, kai jis tuneliuoja.)

„Žinome, kad elektronas tuneliuoja per labai trumpą laiko tarpą. Bandome atsekti iki taško, kai elektronas palieka barjerą, ir tiksliai pasakyti, kuriuo ciklo metu elektronas barjerą paliko“, – teigė eksperimente dalyvavęs Niritas Dudovichius iš Weizmanno instituto.

Norėdami tai išmatuoti, fizikai ieškojo šviesos fotono, sukuriamo tuomet, kai tuneliavęs atomas vėl sugrįžta prie atomo. Kai kuriais atvejais mokslininkai naudojo lazerį elektronams pašalinti, neleisdami jiems vėl prisijungti prie atomo.

„Tai nuo laiko priklausantis postūmis. Jis galiausiai mums pasako ką nors apie tašką, kuriame elektronas buvo išlaisvintas. To rezultatas – tuneliavimas įvyksta per mažiau nei kelis šimtus attosekundžių“, – tvirtino N. Dudovichius.

Tai pirmas kartas, kai mokslininkams pavyko nustatyti, kada elektronas tuneliavo pro atomą. Anksčiau teoriniai skaičiavimai prognozavo kvantinio tuneliavimo laiką, tačiau iki šiol taip tiksliai tiesiogiai jis nebuvo išmatuotas.

Šie duomenys padės mokslininkams suprasti kitus ypač greitus procesus, kurie remiasi kvantiniu tuneliavimu.

„Žinome, kad šis reiškinys sukelia daugybę kitų greitų procesų, kurie gamtoje yra labai svarbūs. Apie tai galime galvoti kaip apie pirmą žingsnį daugelyje gamtos procesų“, – tvirtino N. Dudovichius.