Op subatomair niveau kunnen deeltjes als spoken door schijnbaar onbegaanbare barrières vliegen.
Al tientallen jaren vragen natuurkundigen zich af hoe lang deze zogenaamde kwantumtunneling duurt. Nu, na drie jaar onderzoek, heeft een internationaal team van theoretische natuurkundigen een antwoord. Ze maten een tunnellend elektron van een waterstofatoom en ontdekten dat de passage vrijwel onmiddellijk was, volgens een nieuwe studie.
Deeltjes kunnen door vaste objecten gaan, niet omdat ze erg klein zijn (hoewel ze dat wel zijn), maar omdat de regels van de fysica op kwantumniveau anders zijn.
Stel je een bal voor die door een vallei naar een helling zo hoog als de Mount Everest rolt; zonder een boost van een jetpack zou de bal nooit genoeg energie hebben om de heuvel vrij te maken. Maar een subatomair deeltje hoeft niet over de heuvel te gaan om aan de andere kant te komen.
Deeltjes zijn ook golven, die zich oneindig in de ruimte uitstrekken. Volgens de zogenaamde golfvergelijking betekent dit dat een deeltje op elke positie op de golf kan worden gevonden.
Stel je nu voor dat de golf een barrière raakt; het gaat door maar verliest energie, en de amplitude (de hoogte van de piek) zakt ver naar beneden. Maar als het obstakel dun genoeg is, vervalt de amplitude van de golf niet tot nul. Zolang er nog wat energie over is in de afgeplatte golf, is er een kans - zij het een kleine - dat een deeltje door de heuvel en de andere kant naar buiten kan vliegen.
Het uitvoeren van experimenten die deze ongrijpbare activiteit op kwantumniveau vastlegden, was op zijn zachtst gezegd "zeer uitdagend", vertelde co-auteur Robert Sang, een experimentele kwantumfysicus en een professor aan de Griffith University in Australië, WordsSideKick.com in een e-mail.
"Je moet heel gecompliceerde lasersystemen, een reactiemicroscoop en een waterstofatoombundelsysteem combineren om allemaal tegelijk te werken," zei Sang.
Hun opzet legde drie belangrijke referentiepunten vast: het begin van hun interactie met het atoom; de tijd dat een vrijgekomen elektron naar verwachting achter een barrière vandaan zou komen; en de tijd dat het daadwerkelijk verscheen, zei Sang in een video.
Tijd bijhouden met licht
De onderzoekers gebruikten een optisch tijdwaarnemingsapparaat dat een attoclock wordt genoemd - ultrakorte, gepolariseerde lichtpulsen die de bewegingen van elektronen naar de attoseconde of een miljardste van een miljardste van een seconde kunnen meten. Hun attoclock baadde waterstofatomen in licht met een snelheid van 1000 pulsen per seconde, die de atomen ioniseerde zodat hun elektronen door de barrière konden ontsnappen, rapporteerden de onderzoekers.
Een reactiemicroscoop aan de andere kant van een barrière mat het momentum van het elektron toen het tevoorschijn kwam. De reactiemicroscoop detecteert energieniveaus in een geladen deeltje nadat het een wisselwerking heeft met de lichtpuls van de attoclock, "en daaruit kunnen we afleiden hoeveel tijd het kostte om door de barrière te gaan", vertelde Sang aan WordsSideKick.com.
'De precisie waarmee we dit konden meten was 1,8 seconden,' zei Sang. "We konden concluderen dat de tunneling minder dan 1,8 attoseconden moet bedragen" - bijna onmiddellijk, voegde hij eraan toe.
Hoewel het meetsysteem complex was, was het atoom dat werd gebruikt in de experimenten van de onderzoekers eenvoudig: atomaire waterstof, die slechts één elektron bevat. Eerdere experimenten uitgevoerd door andere onderzoekers gebruikten volgens de studie atomen die twee of meer elektronen bevatten, zoals helium, argon en krypton.
Omdat vrijgemaakte elektronen met elkaar kunnen interageren, kunnen die interacties de tunneltijden van deeltjes beïnvloeden. Dat zou kunnen verklaren waarom de schattingen van eerdere studies langer waren dan in de nieuwe studie, en met tientallen seconden, legde Sang uit. Door de eenvoud van de atomaire structuur van waterstof konden de onderzoekers hun experimenten kalibreren met een nauwkeurigheid die bij eerdere pogingen buiten bereik was, waardoor een belangrijke maatstaf werd gecreëerd waaraan andere tunnelingdeeltjes nu kunnen worden gemeten, rapporteerden de onderzoekers.
De bevindingen werden op 18 maart online gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
