In de klassieke natuurkunde zijn er harde regels die niet kunnen worden omzeild. Als een rollende bal bijvoorbeeld niet genoeg energie heeft, zal hij niet over een heuvel heen komen, maar zal hij omdraaien voordat hij de top bereikt en van richting veranderen.

In de kwantumfysica is dit principe niet zo strikt:een deeltje kan een barrière passeren, zelfs als het niet genoeg energie heeft om er overheen te gaan. Het gedraagt ​​zich alsof het door een tunnel glijdt. Daarom wordt het fenomeen ook wel 'kwantumtunneling' genoemd. Wat magisch klinkt, heeft tastbare technische toepassingen, bijvoorbeeld in flash-geheugenschijven.

In het verleden trokken experimenten waarbij deeltjes sneller dan het licht tunnelden enige aandacht. De relativiteitstheorie van Einstein verbiedt immers snelheden die sneller zijn dan het licht. De vraag is dus of de tijd die nodig is voor het tunnelen bij deze experimenten op de juiste manier werd ‘gestopt’. Natuurkundigen Patrik Schach en Enno Giese van de TU Darmstadt volgen een nieuwe benadering om 'tijd' te definiëren voor een tunnelend deeltje.

Ze hebben nu een nieuwe meetmethode voorgesteld. In hun experiment meten ze het op een manier die volgens hen beter past bij de kwantumaard van tunneling. Ze hebben het ontwerp van hun experiment gepubliceerd in Science Advances .

Volgens de kwantumfysica hebben kleine deeltjes zoals atomen of lichtdeeltjes een tweeledig karakter. Afhankelijk van het experiment gedragen ze zich als deeltjes of als golven.

Kwantumtunneling benadrukt het golfkarakter van deeltjes. Een "golfpakket" rolt richting de barrière, vergelijkbaar met een watergolf. De hoogte van de golf geeft de waarschijnlijkheid aan waarmee het deeltje op deze locatie zou materialiseren als zijn positie zou worden gemeten.

Als het golfpakket een energiebarrière raakt, wordt een deel ervan gereflecteerd. Een klein deel dringt echter door de barrière en er is een kleine kans dat het deeltje aan de andere kant van de barrière verschijnt.

Uit eerdere experimenten is gebleken dat een lichtdeeltje na het tunnelen een langere afstand heeft afgelegd dan een lichtdeeltje dat een vrij pad had. Het zou daarom sneller hebben gereisd dan het licht. De onderzoekers moesten echter de locatie van het deeltje na zijn passage bepalen. Ze kozen het hoogste punt van het golfpakket.

"Maar het deeltje volgt geen pad in de klassieke zin", werpt Enno Giese tegen. Het is onmogelijk om precies te zeggen waar het deeltje zich op een bepaald moment bevindt. Dit maakt het lastig uitspraken te doen over de tijd die nodig is om van A naar B te komen.

Schach en Giese laten zich daarentegen leiden door een citaat van Albert Einstein:"Tijd is wat je van een klok afleest." Ze stellen voor om het tunnelende deeltje zelf als klok te gebruiken. Een tweede deeltje dat niet tunnelt, dient als referentie. Door deze twee natuurlijke klokken te vergelijken, is het mogelijk om te bepalen of de tijd langzamer, sneller of even snel verstrijkt tijdens kwantumtunneling.

Het golfkarakter van deeltjes vergemakkelijkt deze aanpak. De oscillatie van golven is vergelijkbaar met de oscillatie van een klok. Concreet stellen Schach en Giese voor om atomen als klokken te gebruiken. De energieniveaus van atomen oscilleren op bepaalde frequenties. Nadat een atoom met een laserpuls is aangesproken, oscilleren de niveaus aanvankelijk synchroon:de atoomklok wordt gestart.

Tijdens het tunnelen verschuift het ritme echter enigszins. Een tweede laserpuls zorgt ervoor dat de twee interne golven van het atoom interfereren. Het detecteren van de interferentie maakt het mogelijk om te meten hoe ver de twee golven van de energieniveaus uit elkaar liggen, wat op zijn beurt een nauwkeurige maatstaf is voor de verstreken tijd.

Een tweede atoom, dat niet tunnelt, dient als referentie om het tijdsverschil tussen tunnelen en niet-tunnelen te meten. Berekeningen van de twee natuurkundigen suggereren dat het tunnelende deeltje een enigszins vertraagde tijd zal vertonen. “De klok die in een tunnel zit, is iets ouder dan de andere”, zegt Schach. Dit lijkt in tegenspraak met experimenten die superluminale snelheid toeschrijven aan tunneling.

In principe kan de test worden uitgevoerd met de technologie van nu, zegt Schach, maar het is een grote uitdaging voor experimentatoren. Dit komt omdat het te meten tijdsverschil slechts ongeveer 10 ^-26 bedraagt seconden – een extreem korte tijd. Het helpt om wolken van atomen als klokken te gebruiken in plaats van individuele atomen, legt de natuurkundige uit. Het is ook mogelijk om het effect te versterken, bijvoorbeeld door de klokfrequenties kunstmatig te verhogen.

"We bespreken dit idee momenteel met experimentele collega's en staan ​​in contact met onze projectpartners", voegt Giese toe. Het is heel goed mogelijk dat een team binnenkort besluit dit spannende experiment uit te voeren.