量子穿隧效应需要多久完成(小于1.8阿托秒)
在微观世界中,粒子常常表现得就像幽灵一样,能够穿越看似不可逾越的屏障。这神奇的现象被称为量子穿隧效应。多年来,物理学家一直在探寻一个重要问题:量子穿隧效应究竟需要多长时间?如今,经过长达三年的调查研究,由理论物理学家组成的国际研究团队终于找到了答案。他们的最新研究表明,来自氢原子的穿隧电子完成这一过程几乎是瞬间的,时间极短暂,小于1.8阿托秒。
量子穿隧效应之所以如此神奇,是因为在亚原子级别,粒子的行为不同于我们在日常生活中所经历的宏观物体。粒子之所以能够穿越固体屏障,并不是因为它们特别小(尽管它们确实非常小),而是因为在量子级别上,物理规则存在着巨大的差异。这就好比你可以想象一个小球沿着一座山谷滚动,即使没有任何外力的推动,这个小球也能越过看似不可逾越的“珠穆朗玛峰”一样高的斜坡。但是在亚原子粒子的世界里,它们并不需要越过这个“山峰”,而是可以毫无阻碍地抵达另一侧。
粒子也被视为波动,其波函数在空间中延伸无限远。根据著名的波动方程,粒子的位置可以在波函数的任何位置找到。现在,想象一下这个波动函数撞击到一个屏障上,它会持续不断地撞击,但会逐渐失去能量,波的振幅(波峰的高度)会逐渐减小。如果这个屏障非常薄,波的振幅不会减小到零。只要波函数中仍然存在剩余的能量,粒子(尽管它们非常微小)就有可能穿越屏障,抵达另一侧。
这项研究的共同合著者、澳大利亚格里菲斯大学的实验量子物理学家罗伯特·桑(Robert Sang)教授表示,在量子层面上捕捉这种难以捉摸的现象是一项“非常具有挑战性”的实验。要实现这一实验,研究人员需要结合复杂的激光系统、反应显微镜以及氢原子束系统。
研究团队使用了一种被称为“attoclock”的光学计时装置。这个装置能够测量电子在阿托秒级别(即十亿分之一秒的十亿分之一秒)内的运动,是一种超短、极化光脉冲。使用“attoclock”,研究人员以每秒1000脉冲的速度将氢原子置于光中,导致氢原子电离,使其电子穿越屏障。
罗伯特教授指出,位于屏障另一侧的反应显微镜能够测量电子在电离过程中的动量。通过观察带电粒子与attoclock释放的光脉冲相互作用后的能量水平,研究人员可以推测出电子穿越屏障所需的时间。目前,他们的测量精度达到了1.8阿托秒,这意味着他们能够得出结论——量子穿隧效应的时间远远小于1.8阿托秒,几乎是瞬间完成的。
虽然这项研究涉及了复杂的实验系统,但研究人员所使用的粒子非常简单,它们是氢原子,仅包含一个电子。这个研究结果对于之前的研究具有重要意义,因为之前的研究中使用的粒子包含两个或更多的电子,如氦、氩和氪等。由于自由电子之间存在相互作用,这种相互作用可以影响粒子的隧穿时间,解释了为什么之前的研究估计的时间比最新研究更长,甚至比最新研究的估计时间长出几十阿托秒。研究人员强调,氢原子的简单结构使他们能够在实验中实现高精度校准,这为今后研究其他粒子的穿隧时间提供了重要的基准。
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