Ηλεκτρόνια που είναι συνδεδεμένο σε ένα άτομο μπορεί μερικές φορές να ξεφύγουν, έστω και αν δεν διαθέτουν την απαιτούμενη ενέργεια, μέσω ενός φαινομένου γνωστό ως κβαντική διάνοιξη σήραγγας.
Αν και ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία, το φαινόμενο αυτό είναι καλά τεκμηριωμένο και κατανοητό ακόμα και κάτω από τους παράξενους κανόνες που διέπουν τον μικροσκοπικό κόσμο, την κβαντομηχανική.
Τώρα, οι επιστήμονες έχουν μετρήσει τη χρονική στιγμή που διέρχονται από το φράγμα με την μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ, και αναφέρουν τα αποτελέσματά τους στο περιοδικό Nature.
Η διαδικασία αυτή ονομάζεται κβαντική διάνοιξη σήραγγας, και συμβαίνει όταν ένα σωματίδιο περνά μέσα από ένα φράγμα (δυναμικού), που φαινομενικά δεν θα έπρεπε να είναι σε θέση να το κάνει. Στην περίπτωση αυτή, επιστήμονες μέτρησαν τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν από άτομα χωρίς να έχουν την απαραίτητη ενέργεια. Στον κανονικό κόσμο γύρω μας, αυτό θα έμοιαζε με ένα παιδί που πηδάει ένα ολόκληρο σπίτι.
Η κβαντική διάνοιξη σήραγγας είναι δυνατή λόγω της κυματικής φύσης της ύλης. Όσο μπερδεμένο κι αν ακούγεται, στον κβαντικό κόσμο τα σωματίδια δρουν συχνά σαν κύματα και όχι σαν μικρά σφαιρίδια. Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν υπάρχει σε ένα ορισμένο μέρος, σε ένα ορισμένο χρόνο και με μία μόνο ενέργεια, αλλά μάλλον ως ένα κύμα πιθανοτήτων.
"Τα ηλεκτρόνια περιγράφονται από κυματοσυναρτήσεις που εκτείνονται ομαλά από το εσωτερικό έως το εξωτερικό τμήμα των ατόμων – ένα τμήμα του ηλεκτρονίου είναι πάντα έξω από το άτομο”, εξηγεί ο φυσικός Manfred Lein του Πανεπιστημίου του Αννόβερου στο συνοδευτικό δοκίμιο στο Nature .
Τώρα, οι φυσικοί με επικεφαλής τον Dror Shafir του Ινστιτούτου Weizmann ώθησαν ηλεκτρόνια σε μια σήραγγα από άτομα, και μέτρησαν πότε το κάνουν σε χρόνο 200 ατοδευτερολέπτων (ένα αττοδευτερόλεπτο είναι 10-18 δευτερόλεπτα).
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για να μειώσουν το ενεργειακό φράγμα που κανονικά θα παγίδευε ένα ηλεκτρόνιο μέσα σε ένα άτομο ηλίου. Το λέιζερ αυτό μείωσε την ισχύ του φράγματος τόσο ώστε ένα ηλεκτρόνιο δεν θα έχει την ενέργεια που απαιτείται για να ξεφύγει από το άτομο, αλλά θα μπορούσε να εξαπατηθεί και να ‘ανοίξει’ σήραγγα μέσα του. (Το λέιζερ ‘σκουντά’ επίσης το ηλεκτρόνιο πίσω στο μητρικό του άτομο μετά από την διάνοιξη της σήραγγας.)
«Γνωρίζουμε ότι το ηλεκτρόνιο ανοίγει σήραγγες σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα», δήλωσε ο Nirit Dudovich του Ινστιτούτου Weizmann, ένα μέλος της ομάδας του πειράματος. "Προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε πού και πότε το ηλεκτρόνιο έφυγε από το φράγμα κατά τη διάρκεια του κύκλου."
Για τη μέτρηση αυτή, οι φυσικοί εξέτασαν το φωτόνιο που παράγεται όταν ένα ηλεκτρόνιο επανασυνδέθηκε με το άτομο μετά την διάνοιξη της σήραγγας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για να διώξουν μακριά το ηλεκτρόνιο, αποτρέποντας το από το να επανασυνδεθεί με το άτομο.
Το αποτέλεσμα ήταν να δουν ότι το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας συμβαίνει σε λιγότερο από μερικές εκατοντάδες ατοδευτερόλεπτα.
Ήταν η πρώτη φορά που οι επιστήμονες μπόρεσαν να εντοπίσουν πότε ένα ηλεκτρόνιο έχει διανοίξει σήραγγα μέσω ενός ατόμου. Προηγουμένως, οι θεωρητικοί υπολογισμοί είχαν προβλέψει τη χρονική στιγμή της κβαντικής διάνοιξης σηράγγων, αλλά ποτέ πριν δεν είχε γίνει άμεση μέτρηση με ακρίβεια.
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να καταλάβουν άλλες υπερ-γρήγορες διαδικασίες που βασίζονται στην κβαντική διάνοιξη σήραγγας.
“Ξέρουμε ότι αυτό το φαινόμενο ξεκινάει πολλές γρήγορες διαδικασίες, οι οποίες είναι πολύ βασικές στη φύση," δήλωσε ο Dudovich. "Έτσι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μέτρηση σαν το πρώτο βήμα σε πολλές διεργασίες στη φύση."
Πηγή: LiveScience.com
Leave a Comment