Rudolf Cole
0 
2571
206
De kwantumwereld is behoorlijk wild, waar het schijnbaar onmogelijke altijd gebeurt: tienerobjecten die mijlenver van elkaar verwijderd zijn, zijn aan elkaar gebonden en deeltjes kunnen zelfs op twee plaatsen tegelijk zijn. Maar een van de meest verwarrende kwantum-superkrachten is de beweging van deeltjes door schijnbaar ondoordringbare barrières.
Nu heeft een team van natuurkundigen een eenvoudige manier bedacht om de duur van dit bizarre fenomeen te meten, genaamd kwantumtunneling. En ze kwamen erachter hoe lang het tunnelen duurt van start tot finish - vanaf het moment dat een deeltje de barrière binnenkomt, erdoor tunnelt en aan de andere kant weer naar buiten komt, rapporteerden ze online op 22 juli in het tijdschrift Nature.
Kwantumtunneling is een fenomeen waarbij een atoom of een subatomair deeltje kan verschijnen aan de andere kant van een barrière die voor het deeltje onmogelijk zou moeten zijn om te penetreren. Het is alsof je aan het wandelen bent en een muur van 3 meter hoog tegenkomt die zich uitstrekt zover het oog reikt. Zonder ladder of klimvaardigheid van Spider-man zou de muur het je onmogelijk maken om verder te gaan.
Verwant: De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
In de kwantumwereld is het echter zeldzaam, maar mogelijk, dat een atoom of elektron gewoon aan de andere kant 'verschijnt', alsof er een tunnel door de muur is gegraven. "Kwantumtunneling is een van de meest raadselachtige kwantumfenomenen", zegt co-auteur Aephraim Steinberg, mededirecteur van het Quantum Information Science Program van het Canadian Institute for Advanced Research. "En het is fantastisch dat we het nu op deze manier ook daadwerkelijk kunnen bestuderen."
Quantumtunneling is niet nieuw voor natuurkundigen. Het vormt de basis van veel moderne technologieën, zoals elektronische chips, tunneldiodes genaamd, die de beweging van elektriciteit door een circuit in de ene richting maar niet in de andere mogelijk maken. Scanning tunneling microscopen (STM) gebruiken ook tunneling om letterlijk individuele atomen op het oppervlak van een vaste stof te laten zien. Kort nadat de eerste STM was uitgevonden, meldden onderzoekers van IBM dat ze het apparaat gebruikten om de letters IBM te spellen met behulp van 35 xenonatomen op een nikkelsubstraat.
Hoewel de wetten van de kwantummechanica kwantumtunneling mogelijk maken, weten onderzoekers nog steeds niet precies wat er gebeurt terwijl een subatomair deeltje het tunnelproces ondergaat. Sommige onderzoekers dachten inderdaad dat het deeltje ogenblikkelijk aan de andere kant van de barrière verschijnt alsof het daar ogenblikkelijk naar teleporteert, meldde Sci-News.com.
Onderzoekers hadden eerder geprobeerd om de hoeveelheid tijd te meten die nodig is om te tunnelen, met wisselende resultaten. Een van de problemen in eerdere versies van dit type experiment is het identificeren van het moment waarop het tunnelen begint en stopt. Om de methodologie te vereenvoudigen, gebruikten de onderzoekers magneten om een nieuw soort 'klok' te maken die alleen tikt terwijl het deeltje aan het tunnelen was..
Subatomaire deeltjes hebben allemaal magnetische eigenschappen en wanneer magneten zich in een extern magnetisch veld bevinden, draaien ze als een tol. De hoeveelheid rotatie (ook wel precessie genoemd) hangt af van hoe lang het deeltje in dat magnetische veld baadt. Wetende dat de Toronto-groep een magnetisch veld gebruikte om hun barrière te vormen. Wanneer deeltjes zich binnen de barrière bevinden, gaan ze vooraf. Daarbuiten doen ze dat niet. Dus door te meten hoe lang de deeltjes precesseren, konden de onderzoekers weten hoe lang die atomen nodig hadden om door de barrière te tunnelen.
Verwant: 18 keer kwantumdeeltjes bliezen onze geest
"Het experiment is een adembenemende technische prestatie", zegt Drew Alton, hoogleraar natuurkunde aan de Augustana University in South Dakota..
De onderzoekers maakten ongeveer 8.000 rubidiumatomen, koelden ze af tot een miljardste graad boven het absolute nulpunt. De atomen moesten deze temperatuur hebben, anders zouden ze zich willekeurig met hoge snelheden hebben verplaatst in plaats van in een kleine klomp te blijven. De wetenschappers gebruikten een laser om de magnetische barrière te creëren; ze richtten de laser zo dat de barrière 1,3 micrometer (micron) dik was, of de dikte van ongeveer 2500 rubidiumatomen. (Dus als je dertig centimeter dik was, van voren naar achteren, zou deze barrière het equivalent zijn van ongeveer een halve mijl dik.) Met behulp van een andere laser duwden de wetenschappers de rubidiumatomen in de richting van de barrière, waardoor ze met ongeveer 0,15 inch per seconde werden verplaatst (4 millimeter / s).
Zoals verwacht, weerkaatsten de meeste rubidiumatomen van de barrière. Door kwantumtunneling drong ongeveer 3% van de atomen de barrière binnen en verscheen aan de andere kant. Gebaseerd op de precessie van die atomen, hadden ze ongeveer 0,6 milliseconden nodig om de barrière te passeren.
Verwant-De 11 grootste onbeantwoorde vragen over donkere materie
-Infographic: Hoe kwantumverstrengeling werkt
-De 12 belangrijkste en meest verbluffende kwantumexperimenten
Chad Orzel, universitair hoofddocent natuurkunde aan Union College in New York, die geen deel uitmaakte van de studie, juichte het experiment toe: "Hun experiment is ingenieus geconstrueerd om het moeilijk te interpreteren als iets anders dan wat ze zeggen", aldus Orzel. , auteur van "How to Teach Quantum Mechanics to Your Dog" (Scribner, 2010) Het "is een van de beste voorbeelden die je zult zien van een gedachte-experiment dat werkelijkheid is geworden", voegde hij eraan toe.
Experimenten die kwantumtunneling onderzoeken, zijn moeilijk en verder onderzoek is nodig om de implicaties van deze studie te begrijpen. De Toronto-groep overweegt al verbeteringen aan hun apparatuur om niet alleen de duur van het tunnelproces te bepalen, maar ook om te zien of ze iets kunnen leren over de snelheid van de atomen op verschillende punten binnen de barrière. "We werken aan een nieuwe meting waarbij we de barrière dikker maken en vervolgens de hoeveelheid precessie op verschillende diepten bepalen", zei Steinberg. "Het zal heel interessant zijn om te zien of de snelheid van de atomen constant is of niet."
In veel interpretaties van de kwantummechanica is het onmogelijk - zelfs in principe - om het traject van een subatomair deeltje te bepalen. Zo'n meting zou kunnen leiden tot inzichten in de verwarrende wereld van de kwantumtheorie. De kwantumwereld is heel anders dan de wereld die we kennen. Experimenten als deze zullen het een beetje minder mysterieus maken.
Zie alle reacties (10)