Vlad Krasen
1 
1560
184
Le monde quantique est assez sauvage, où apparemment impossible se produit tout le temps: les objets Teensy séparés par des kilomètres sont liés les uns aux autres, et les particules peuvent même être à deux endroits à la fois. Mais l'une des superpuissances quantiques les plus déroutantes est le mouvement des particules à travers des barrières apparemment impénétrables..
Maintenant, une équipe de physiciens a mis au point un moyen simple de mesurer la durée de ce phénomène bizarre, appelé tunnel quantique. Et ils ont compris combien de temps le tunnel prend du début à la fin - à partir du moment où une particule entre dans la barrière, les tunnels à travers et sort de l'autre côté, ils ont rapporté en ligne le 22 juillet dans la revue Nature.
Le tunnel quantique est un phénomène où un atome ou une particule subatomique peut apparaître du côté opposé d'une barrière qui devrait être impossible pour la particule de pénétrer. C'est comme si vous marchiez et rencontriez un mur de 10 pieds de haut (3 mètres) s'étendant à perte de vue. Sans une échelle ou des compétences d'escalade Spider-man, le mur vous empêcherait de continuer.
En relation: Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique
Cependant, dans le monde quantique, il est rare, mais possible, qu'un atome ou un électron "apparaisse" simplement de l'autre côté, comme si un tunnel avait été creusé à travers le mur. «Le tunnel quantique est l'un des phénomènes quantiques les plus déconcertants», a déclaré le co-auteur de l'étude Aephraim Steinberg, codirecteur du programme de science de l'information quantique à l'Institut canadien de recherches avancées. "Et c'est fantastique que nous puissions maintenant l'étudier de cette manière."
Le tunnelage quantique n'est pas nouveau pour les physiciens. Il forme la base de nombreuses technologies modernes telles que les puces électroniques, appelées diodes tunnel, qui permettent le mouvement de l'électricité à travers un circuit dans un sens mais pas dans l'autre. Les microscopes à effet tunnel (STM) utilisent également le tunneling pour montrer littéralement des atomes individuels à la surface d'un solide. Peu de temps après l'invention du premier STM, des chercheurs d'IBM ont rapporté avoir utilisé l'appareil pour épeler les lettres IBM en utilisant 35 atomes de xénon sur un substrat de nickel.
Alors que les lois de la mécanique quantique permettent le tunneling quantique, les chercheurs ne savent toujours pas exactement ce qui se passe lorsqu'une particule subatomique subit le processus de tunneling. En effet, certains chercheurs pensaient que la particule apparaît instantanément de l'autre côté de la barrière comme si elle s'y téléportait instantanément, a rapporté Sci-News.com.
Les chercheurs avaient précédemment essayé de mesurer le temps nécessaire pour que le tunnel se produise, avec des résultats variables. L'une des difficultés des versions antérieures de ce type d'expérience est d'identifier le moment où le tunneling démarre et s'arrête. Pour simplifier la méthodologie, les chercheurs ont utilisé des aimants pour créer un nouveau type d '«horloge» qui ne tiquerait que pendant que la particule effectuait un tunnel..
Les particules subatomiques ont toutes des propriétés magnétiques et lorsque les aimants sont dans un champ magnétique externe, ils tournent comme une toupie. La quantité de rotation (également appelée précession) dépend de la durée pendant laquelle la particule est baignée dans ce champ magnétique. Sachant cela, le groupe de Toronto a utilisé un champ magnétique pour former sa barrière. Lorsque les particules sont à l'intérieur de la barrière, elles précèdent. En dehors, ils ne le font pas. Donc, mesurer la durée de précession des particules a indiqué aux chercheurs combien de temps ces atomes ont mis à traverser la barrière..
En relation: 18 fois les particules quantiques ont soufflé nos esprits
"L'expérience est une réalisation technique à couper le souffle", a déclaré Drew Alton, professeur de physique à l'Université Augustana, dans le Dakota du Sud..
Les chercheurs ont préparé environ 8 000 atomes de rubidium, les ont refroidis à un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Les atomes devaient être à cette température, sinon ils se seraient déplacés au hasard à des vitesses élevées, plutôt que de rester dans un petit groupe. Les scientifiques ont utilisé un laser pour créer la barrière magnétique; ils ont focalisé le laser de manière à ce que la barrière ait une épaisseur de 1,3 micromètre (microns) ou une épaisseur d'environ 2 500 atomes de rubidium. (Donc, si vous aviez un pied d'épaisseur, d'avant en arrière, cette barrière équivaudrait à environ un demi-mille d'épaisseur.) À l'aide d'un autre laser, les scientifiques ont poussé les atomes de rubidium vers la barrière, les déplaçant d'environ 0,15 pouce par seconde (4 millimètres / s).
Comme prévu, la plupart des atomes de rubidium ont rebondi sur la barrière. Cependant, en raison du tunnel quantique, environ 3% des atomes ont pénétré la barrière et sont apparus de l'autre côté. Sur la base de la précession de ces atomes, il leur a fallu environ 0,6 millisecondes pour traverser la barrière.
en relation-Les 11 plus grandes questions sans réponse sur la matière noire
-Infographie: Comment fonctionne l'intrication quantique
-Les 12 expériences quantiques les plus importantes et les plus étonnantes
Chad Orzel, professeur agrégé de physique à l'Union College de New York, qui ne faisait pas partie de l'étude, a applaudi l'expérience, "Leur expérience est ingénieusement construite pour la rendre difficile à interpréter autrement que ce qu'ils disent", a déclaré Orzel , auteur de «Comment enseigner la mécanique quantique à votre chien» (Scribner, 2010) C'est «l'un des meilleurs exemples que vous verrez d'une expérience de pensée réalisée», a-t-il ajouté.
Les expériences explorant le tunnel quantique sont difficiles et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre les implications de cette étude. Le groupe torontois envisage déjà d'améliorer son appareil pour non seulement déterminer la durée du processus de tunnelage, mais aussi pour voir s'il peut apprendre quelque chose sur la vitesse des atomes à différents points à l'intérieur de la barrière. "Nous travaillons sur une nouvelle mesure où nous rendons la barrière plus épaisse et déterminons ensuite la quantité de précession à différentes profondeurs", a déclaré Steinberg. "Il sera très intéressant de voir si la vitesse des atomes est constante ou non."
Dans de nombreuses interprétations de la mécanique quantique, il est impossible - même en principe - de déterminer la trajectoire d'une particule subatomique. Une telle mesure pourrait conduire à des aperçus dans le monde déroutant de la théorie quantique. Le monde quantique est très différent du monde que nous connaissons. Des expériences comme celles-ci aideront à le rendre un peu moins mystérieux.
Voir tous les commentaires (10)