量子隧穿有多快？新紀錄：氫原子的電子隧穿僅0.00018飛秒

在亞原子水平上，粒子可以如幽靈般飛過看似無法通行的障礙物。幾十年來，物理學家們一直在思考這個所謂的量子隧穿需要多長時間。現在經過為期三年的調查，一個理論物理學家國際團隊終於有了答案。根據一項最新的研究，他們測量了氫原子的隧穿電子，發現它的通過幾乎是瞬間的。

粒子可以穿過過固體，並不是因為它們非常小，雖然它們確實十分小，而是因為物理法則體現在量子水平上有所不同。想像一下，一個球沿著山谷滾向珠穆朗瑪峰一樣高的斜坡，如果沒有噴氣背包的助推，球永遠不會有足夠的能量越過山丘。但是亞原子粒子不需要翻越山丘就能到達另一邊。

粒子也是波，在空間中無限延伸。根據所謂的波動方程，這意味著可以在產生波的任何位置找到粒子。現在想像波撞擊障礙物的場景，它繼續前進，但失去了能量，它的峰值的高度有所下降。但如果障礙物足夠薄，則波的振幅不會衰減到零。只要在扁平波中還剩下一些能量，粒子就仍然存在很小的可能性，會從山丘的另一側飛出去。

該研究報告的共同作者，實驗性量子物理學家，澳大利亞格里菲斯大學教授羅伯特桑表示，實驗可以說是「非常具有挑戰性」，因為是在量子水平層面捕捉這些難以捉摸的粒子活動。研究人員需要同時運動非常複雜的激光系統，反應顯微鏡和氫原子束系統，才能進行這項實驗。他們的設置建立了三個重要的參考點：粒子與原子相互作用的開始時間，預計自由電子從屏障後面出現的時間以及實際出現的時間。

研究人員使用了一種名為attoclock的光學計時裝置 ，這是一種超短的偏振光脈衝，能夠測量電子在阿托秒精度的運動，那就是可以精確到十億分之一秒的十億分之一，1阿托秒等於千分之一飛秒。研究人員報告說，他們的attoclock以每秒1000個脈衝的速度將氫原子暴露在光脈衝下，這會使原子電離，從而使得它們的電子可以通過屏障逃逸。

屏障另一側的反應顯微鏡測量電子出現時的動量，反應顯微鏡可以檢測帶電粒子與attoclock發出的光脈衝相互作用後的能量水平，從而推算出粒子通過屏障所需的時間。研究人員可以測量的精確度是1.8阿秒，而該研究得出的結論是量子隧穿一定小於1.8阿托秒，也就是0.00018飛秒，這可以說是靈光一閃的瞬時速度。

雖然測量系統很複雜，但研究人員實驗中使用的原子很簡單: 氫原子，它只含有一個電子。根據該研究顯示信息，之前其他研究團隊進行的實驗使用了含有兩個或多個電子的原子，如氦，氬和氪。由於自由電子可以相互作用，這些相互作用可以影響粒子的隧穿時間。 這可以解釋為什麼先前研究的估計量子隧穿時間比新研究更長，而且要比新研究的估計時間長几十阿秒。

氫原子結構的簡單性，能夠使研究人員以之前無法達到的高精度校準他們的實驗，這為其他隧穿粒子的測量提供了一個重要的基準。

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