Физики впервые измерили время туннелирования атома ( 3 фото )

R. Ramos, et al. / Nature, 2020

Физики впервые измерили время туннелирования ионов с помощью высокоточных ларморовских атомных часов. Работа опубликована в журнале Nature.

Туннелирование — одно из самых необычных явлений квантовой физики, когда квантовые объекты способны преодолевать барьеры, которые классически преодолеть невозможно. Эффект туннелирования проявляется, например, в фотосинтезе или ядерных реакциях в звездах, а также используется в сверхпроводящих магнитометрах и кубитах для квантовых компьютеров. Однако вопрос о том, как быстро происходит туннелирование, оставался открытым.

В 1980 году Маркус Буттикер (M. Büttiker) и Рольф Ландауэр (R. Landauer) теоретически исследовали этот вопрос, используя полуклассический подход. Они пытались посчитать время нахождения частицы в потенциальном барьере, через который она туннелирует. До этого считалось, что время туннелирования определяется пространственным размером волновой функции, но при таком подходе оказывается, что туннелирование происходит со сверхсветовой скоростью. Первые эксперименты, которые пытались определить такое «полуклассическое» время, были поставлены в 90-х годах, однако результаты не были точны, а лишь давали некоторое понимание об общем масштабе времени.

Группа ученых из Канады и Испании под руководством Эфраима Штейнберга (Aephraim M. Steinberg) разработала систему для измерения времени туннелирования частиц на основе высокоточных атомных часов. Исследователи использовали ларморовские атомные часы, которые чувствительные к магнитному полю и в его присутствии набирают некоторую фазу. Таким образом, как только заряженная частица оказывается в потенциальном барьере, ларморовские часы чувствуют это и начинают набирать фазу, а когда частица уходит, набор фазы останавливается. После этой процедуры можно измерить состояние часов и определить время набора фазы, то есть время туннелирования.


Схема Ларморовских часов на основе спина-1/2 (кубита)

R. Ramos, et al. / Nature, 2020

В качестве физической реализации исследователи использовали конденсат Бозе — Эйнштейна из 8000 ионов рубидия, а потенциальный барьер создавался с помощью лазера. Таким образом физики варьировали форму потенциального барьера, а также скорость ионов, налетающих на барьер. В качестве атомных часов выступала сверхтонкая структура уровней энергии ионов.

Ученые обнаружили, что туннелирование через барьер толщиной 1,3 микрометра заняло у иона 610 микросекунд при минимально возможных энергиях. Это первое прямое измерение времени туннелирования и первая успешная экспериментальная реализация ларморовских часов. Физики подтвердили, что время туннелирования конечное и зависит от скорости частиц и толщины барьера так, как предсказывает теория.


Зависимость времени туннелирования от скорости ионов

R. Ramos, et al. / Nature, 2020

Совсем недавно мы писали как ученые из NASA впервые измерили конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия на МКС в условиях невесомости. Ранее японские физики наблюдали туннелирование атомов водорода на поверхности льда. Кстати, туннелировать могут не только атомы, например, мы писали о том, как физики объяснил туннелирование фононов.

Михаил Перельштейн