Als je dingen op de kwantumschaal aanpakt, waar dingen heel klein zijn, de wereld is nogal wazig en bizar in vergelijking met onze dagelijkse ervaringen.

Bijvoorbeeld, we kunnen normaal gesproken niet door massieve muren lopen. Maar op de kwantumschaal, wanneer een deeltje een schijnbaar onoverkomelijke barrière tegenkomt, het kan soms naar de andere kant gaan - een proces dat bekend staat als kwantumtunneling.

Maar hoe snel een deeltje door een barrière kon tunnelen, was altijd een raadsel.

In het werk dat vandaag in Nature is gepubliceerd, hebben we een deel van het probleem opgelost.

Waarom is dat belangrijk? Het is een doorbraak die een impact kan hebben op toekomstige technologieën die we in onze huizen zien, op het werk of ergens anders.

Veel van de huidige technologieën – zoals halfgeleiders, het LED-scherm op uw smartphone, of lasers - zijn gebaseerd op ons begrip van hoe dingen werken in de kwantumwereld.

Dus hoe meer we kunnen leren, hoe meer we kunnen ontwikkelen.

Terug naar het tunnelen

Voor kwantumdeeltjes, zoals elektronen, als we zeggen dat ze door barrières kunnen tunnelen, we hebben het niet over fysieke obstakels, maar energiebarrières.

Tunneling is mogelijk vanwege het golfkarakter van het elektron. Kwantummechanica kent golfkarakter toe aan elk deeltje, en daarom is er altijd een eindige kans dat de golf zich door barrières voortplant, net zoals geluid door muren reist.

Het klinkt misschien contra-intuïtief, maar dit is wat wordt uitgebuit in technologieën zoals scanning tunneling microscopen, waarmee wetenschappers afbeeldingen met atomaire resolutie kunnen maken. Dit wordt natuurlijk ook waargenomen bij kernfusie, en in biologische processen zoals fotosynthese.

Hoewel het fenomeen kwantumtunneling goed is bestudeerd en gebruikt, natuurkundigen hadden er nog geen volledig begrip van, vooral met betrekking tot de dynamiek ervan.

Als we de dynamiek van tunnelen zouden kunnen benutten, bijvoorbeeld, gebruik het om meer informatie te vervoeren - het zou ons mogelijk een nieuwe greep kunnen geven op toekomstige kwantumtechnologieën.

Een tunnelsnelheidstest

De eerste stap op weg naar dit doel is het meten van de snelheid van het tunnelproces. Dit is geen eenvoudige prestatie, aangezien de tijdschalen die betrokken zijn bij de meting extreem klein zijn.

Voor energiebarrières ter grootte van enkele miljardsten van een meter, zoals in ons experiment, sommige natuurkundigen hadden berekend dat het tunnelproces ongeveer honderd attoseconden zou duren (1 attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde).

Om de zaken in perspectief te plaatsen, als een attoseconde wordt uitgerekt tot een seconde, dan is een seconde gelijk aan de leeftijd van het heelal.

De geschatte tijden zijn zo extreem klein dat ze eerder als praktisch onmiddellijk werden beschouwd. Daarom hadden we voor ons experiment een klok nodig die deze gebeurtenissen met enorme nauwkeurigheid en precisie kan timen.

De technologische vooruitgang in ultrasnelle lasersystemen stelde ons in staat om een ​​dergelijke klok te implementeren in de Australische Attosecond Science Facility, Centrum voor Kwantumdynamica, aan de Griffith-universiteit.

De klok in het experiment is niet mechanisch of elektrisch - het is eerder de roterende elektrische veldvector van een ultrasnelle laserpuls.

Licht is niets anders dan elektromagnetische straling die bestaat uit elektrische en magnetische velden die in een snel tempo variëren. We gebruikten dit snel veranderende veld om tunneling in atomaire waterstof te induceren en ook als stopwatch om te meten wanneer het eindigt.

Hoe snel?

De keuze om atomaire waterstof te gebruiken (wat eenvoudig een gebonden paar is van één elektron en één proton) vermijdt de complicaties die voortvloeien uit andere atomen, waardoor het eenvoudiger wordt om de resultaten eenduidig ​​te vergelijken en te interpreteren.

De door ons gemeten tunneltijd bleek niet meer dan 1,8 attoseconde te zijn, veel kleiner dan sommige theorieën hadden voorspeld. Deze meting vraagt ​​om een ​​serieuze heroverweging van ons begrip van tunneldynamiek.

Verschillende theorieën schatten een reeks tunneltijden in - van nul tot honderden attoseconden - en er was geen consensus onder natuurkundigen over welke enkele theoretische schatting correct was.

Een fundamentele reden voor de meningsverschillen ligt in het concept van tijd in de kwantummechanica. Vanwege kwantumonzekerheden, er kan geen absolute zekerheid zijn over het tijdstip waarop een deeltje de barrière binnengaat of eruit komt.

Maar experimenten zoals de onze, met behulp van nauwkeurige metingen op eenvoudige systemen, zou ons kunnen leiden bij het verfijnen van ons begrip van zulke tijden

De volgende technologieën

Kwantumsprongen in de technologische wereld zijn vaak geworteld in de zoektocht naar fundamentele wetenschap.

Toekomstige kwantumtechnologieën die veel van de kwantumkenmerken bevatten, zoals superpositie en verstrengeling, zullen leiden tot wat technologen de 'tweede kwantumrevolutie' noemen.

Door de kwantumdynamica van de eenvoudigst mogelijke atomaire tunneling-gebeurtenis volledig te begrijpen - met een enkel proton en een enkel elektron - hebben we aangetoond dat op bepaalde soorten theorieën kan worden vertrouwd om het juiste antwoord te geven, waar andere soorten theorieën falen.

Dit geeft ons vertrouwen over welke theorieën we moeten toepassen op andere, complexere systemen.

Metingen op attosecondeschaal voegen niet alleen een extra dimensie toe voor de toekomstige kwantumtechnologieën, maar kunnen ook fundamenteel helpen bij het begrijpen van de olifant van de kwantumkamer:wat is tijd ?

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.