「量子穿隧效應」需要多長時間？瞬間就能完成

物理學家通過描述一個粒子能以多快速度穿過一個障礙物，從而解決了一個長達數十年的謎團。

　　新浪科技訊 北京時間3月26日消息，據國外媒體報道，在亞原子等級上，粒子可以像幽靈一樣穿過看似不可逾越的屏障。

　　幾十年以來，物理學家一直想知道「量子穿隧效應」需要多長時間，現在經過3年的調查分析，一支由理論物理學家組建的國際團隊找到了答案。依據一項最新研究，他們測量了來自氫原子的穿隧電子，發現它們穿隧時間很短暫，幾乎是瞬間內完成。

　　粒子能夠穿過固體不是因為它們非常小（雖然它們的確很小），而是因為物理規則在量子等級上存在差異。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，球永遠不會擁有足夠的能量越過「珠穆朗瑪峰」。但是亞原子粒子不需要越過，就能抵達另一側。

　　粒子也是波，在空間中無限延伸。依據所謂的波動方程式，意味著可以在波的任何位置找到粒子。現在想像一下波撞擊屏障，它持續撞擊但會損耗能量，並且振幅（峰值的高度）下降很多。如果屏障足夠薄，波振幅不會衰減至零。只要平坦波中還有剩餘能量，粒子就有可能（儘管它們很小），穿過山丘抵達另一側。

　　研究報告合著者、澳大利亞格里菲斯大學實驗量子物理學家羅伯特·桑（Robert Sang）教授稱，至少可以說，在量子層面上捕捉這種難以捉摸活動的實驗是「非常具有挑戰性」。你需要同時結合非常複雜的激光系統、反應顯微鏡和氫原子束系統。

量子隧穿實驗用光脈衝轟擊氫原子，然後用顯微鏡測量它們的動量。

　　他們的建立確定了3個重要的參照點：與原子相互作用的起始點；一個自由電子從屏障後面出現的預期時間點；它真正出現的時間點。

　　研究人員使用一種叫做「attoclock」的光學計時裝置，它是一種能夠測量電子阿托秒等級移動的超短、偏振光脈衝，阿托秒相當十億分之一秒的十億分之一。研究人員報道稱，「attoclock」以每秒1000脈衝的速度將氫原子沐浴在光中，從而使原子發生電離，使它們的電子穿越屏障。

　　羅伯特稱，位於屏障另一側的反應顯微鏡能夠測量電離出現時的電子動量，反應顯微鏡能夠探測到帶電粒子與attoclock釋放光脈衝相互作用後的能量水平。同時，我們可以推測電子穿過屏障所需的時間。目前我們能測量的精度為1.8阿托秒，因此我們能夠得出結論——隧道效應一定小於1.8阿托秒，幾乎是瞬間完成。

　　雖然測量系統非常複雜，但是研究人員實驗中使用的原子非常簡單，它們是氫原子，只包含一個電子。依據這項研究，其他研究人員此前實驗中使用包含兩個或者兩個以上的電子，例如：氦、氬和氪。

　　由於自由電子可以彼此相互作用，這種交互性可以影響粒子的隧穿時間。從而解釋為什麼之前的研究預計時間比最新研究更長，而且比最新研究的估計時間長几十阿托秒。研究人員指出，氫原子結構的簡單特徵使研究人員可以實現超前的精度校準實驗，這將為其他隧穿粒子的測量提供一個重要基準。目前這項最新研究報告發表在3月18日出版的《自然》雜誌網路版上。（葉傾城）

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