Ở cấp độ hạ nguyên tử, các hạt có thể bay qua các rào cản dường như không thể vượt qua như ma.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã tự hỏi liệu cái gọi là đường hầm lượng tử này mất bao lâu. Bây giờ, sau một cuộc điều tra kéo dài ba năm, một nhóm các nhà vật lý lý thuyết quốc tế đã có câu trả lời. Họ đã đo một electron chui hầm từ một nguyên tử hydro và thấy rằng sự đi qua của nó thực tế là tức thời, theo một nghiên cứu mới.
Các hạt có thể xuyên qua các vật thể rắn không phải vì chúng rất nhỏ (mặc dù chúng là vậy) mà bởi vì các quy tắc vật lý khác nhau ở cấp độ lượng tử.
Hãy tưởng tượng một quả bóng lăn xuống một thung lũng về phía một con dốc cao như đỉnh Everest; không có lực đẩy từ jetpack, quả bóng sẽ không bao giờ có đủ năng lượng để dọn sạch ngọn đồi. Nhưng một hạt hạ nguyên tử không cần phải đi qua ngọn đồi để sang phía bên kia.
Các hạt cũng là sóng, kéo dài vô tận trong không gian. Theo phương trình sóng được gọi là, điều này có nghĩa là một hạt có thể được tìm thấy ở bất kỳ vị trí nào trên sóng.
Bây giờ hình ảnh sóng nổi lên một rào cản; nó tiếp tục xuyên qua nhưng mất năng lượng và biên độ của nó (chiều cao của đỉnh) giảm xuống. Nhưng nếu chướng ngại vật đủ mỏng, biên độ của sóng sẽ không giảm xuống 0. Chừng nào vẫn còn một chút năng lượng trong sóng phẳng, sẽ có một số cơ hội - dù chỉ là một hạt nhỏ - rằng một hạt có thể bay qua ngọn đồi và ra phía bên kia.
Tiến hành các thí nghiệm thu được hoạt động khó nắm bắt này ở cấp lượng tử là "rất khó khăn" để nói rằng ít nhất, đồng tác giả nghiên cứu Robert Sang, một nhà vật lý lượng tử thực nghiệm và là giáo sư tại Đại học Griffith ở Úc, đã nói với Live Science trong email.
"Bạn cần kết hợp các hệ thống laser rất phức tạp, kính hiển vi phản ứng và hệ thống chùm nguyên tử hydro để hoạt động cùng một lúc", Sang nói.
Thiết lập của họ thiết lập ba điểm tham chiếu quan trọng: bắt đầu tương tác của họ với nguyên tử; thời gian mà một electron tự do được dự kiến sẽ xuất hiện từ phía sau một rào chắn; và thời điểm nó thực sự xuất hiện, Sang nói trong một video.
Giữ thời gian với ánh sáng
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị chấm công quang học gọi là attoclock - ultrashort, các xung ánh sáng phân cực có khả năng đo chuyển động của các điện tử đến attosecond, hoặc một phần tỷ của một phần tỷ giây. Các nhà nghiên cứu cho biết các attoclock của họ đã tắm các nguyên tử hydro trong ánh sáng với tốc độ 1000 xung mỗi giây, làm ion hóa các nguyên tử để các electron của chúng có thể thoát qua hàng rào, các nhà nghiên cứu báo cáo.
Một kính hiển vi phản ứng ở phía bên kia của hàng rào đã đo động lượng của electron khi nó xuất hiện. Kính hiển vi phản ứng phát hiện mức năng lượng trong một hạt tích điện sau khi nó tương tác với xung ánh sáng từ attoclock, "và từ đó chúng ta có thể suy ra thời gian cần thiết để vượt qua rào cản", Sang nói với Live Science.
"Độ chính xác mà chúng tôi có thể đo được là 1,8 attos giây", Sang nói. "Chúng tôi đã có thể kết luận rằng đường hầm phải nhỏ hơn 1,8 attos giây" - gần ngay lập tức, ông nói thêm.
Mặc dù hệ thống đo lường rất phức tạp, nguyên tử được sử dụng trong các thí nghiệm của các nhà nghiên cứu rất đơn giản - hydro nguyên tử, chỉ chứa một electron. Các thí nghiệm trước đây được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu khác đã sử dụng các nguyên tử có chứa hai hoặc nhiều electron, như helium, argon và krypton, theo nghiên cứu.
Vì các electron được giải phóng có thể tương tác với nhau, những tương tác đó có thể ảnh hưởng đến thời gian chui của các hạt. Điều đó có thể giải thích tại sao các ước tính của các nghiên cứu trước dài hơn trong nghiên cứu mới và hàng chục giây, Sang giải thích. Các nhà nghiên cứu báo cáo, sự đơn giản của cấu trúc nguyên tử của hydro cho phép các nhà nghiên cứu hiệu chỉnh các thí nghiệm của họ với độ chính xác ngoài tầm với trong các nỗ lực trước đó, tạo ra một chuẩn mực quan trọng để đo các hạt đường hầm khác hiện nay.
Những phát hiện được công bố trực tuyến vào ngày 18 tháng 3 trên tạp chí Nature.
