Wie von Zauberhand! Winzige Partikel können durch fern-Barrieren übergeben.


Fast alles ist möglich – zumindest für ein subatomares Teilchen.

Eines der vielen rätselhaften Folgen der Quantenmechanik – die Regeln für das Verhalten der kleinen subatomaren Teilchen – ist, dass einzelne Partikel Hindernisse durchlaufen können, die ansonsten unzugänglich wären.

Nun, eine neue Studie hat gezeigt, dass diesem gleichen Quantum tunneling Effekt auftreten kann über relativ große Entfernungen mit Partikeln, die scheinbar zu verlagern Orten sogar wenn mehrere andere Partikel im Wege stehen. In der Tat scheinen die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu helfen entlang. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Quantum tunneling

In der klassischen Physik kann ein Objekt nur irgendwo gehen, wenn es genug Energie, um dies zu tun. Für beispielsweise einen Ball am Fuß eines Hügels sitzen gehen kann nicht über die Hill sagte, es sei denn jemand es mit genug Energie treibt, Co-Autor Hanns-Christoph Nägerl, ein Physiker an der Universität Innsbruck in Österreich studieren.

Aber eine Folge der Quantenmechanik ist, dass die subatomaren Teilchen nicht einen festen Standort haben, bis sie gemessen werden. Stattdessen ein Partikel hat einige Wahrscheinlichkeit des Seins in jeder Lage – die Wahrscheinlichkeit, dass es auf der anderen Seite des Hügels Liquidation, ohne ein Schubs sehr, sehr klein ist, aber es nicht Null ist. Sehr selten kann ein Quantenteilchen "an Orte, die klassische Physik sagen würde, dass sie nicht erreichen konnte tunnel".

Obwohl das Konzept die meisten menschliche Erwartungen über die physische Welt trotzt, unterliegt das Quantum tunneling tatsächlich viele grundlegende Prozesse in der Natur. Zum Beispiel können Protonen und Neutronen aus dem Kern eines Atoms im radioaktiven Zerfall tunnel.

Aber am meisten gut verständliche Beispiele für Tunnelbau betreffen nur ein Teilchen, und es ist oft nicht möglich, theoretische Modelle zu verwenden, um vorherzusagen, wie mehrere Teilchen auf der Quantenebene interagieren konnte Nägerl erzählte Leben Wissenschaft.

Fernreisen

Stattdessen entschied Nägerl und seine Kollegen, erstellen eine physische "Quantensimulator", die anderen Quantensystemen nachahmen konnte.

Das Team gekühlt Cäsium-Atomen ein bisschen knapp oberhalb einer Temperatur des absoluten Nullpunkts (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius) und platziert die Atome in einem virtuellen Gitter mit sich kreuzenden Balken hochintensive Laser erstellt. Die Balken ein Muster von hellen und dunklen Regionen oder eine Energielandschaft, die "sah", um die Atome wie ein Brett fallenden gekräuselten Spitzen und Täler geschaffen. (Die dunklen Regionen diente als Hindernisse für die Atome.) Bei so niedrigen Temperaturen, stoppt die zufällige wackeln der Atome fast vollständig, so dass keine Energie für die Atome bewegen – außer mit Quantum tunneling.

Das Team dann eine Kraft, die leicht die Energielandschaft versetzt angewendet – im wesentlichen kippen das Board – so dass die Partikel auf dem Brett bewegen möchte.

Um diese Leistung zu vollbringen, teilen die Cäsium-Atomen Flecken mit anderen Cäsium-Atomen im Gitter, übertragen die Energie, die sie durch Verschieben nach unten das Board durch Interaktionen mit anderen Cäsium-Atomen vergossen. Aber die Teilchen nicht durch nur eine Barriere Tunneln; Stattdessen beobachtet das Team mehrere Atome Flecken durch bis zu fünf verschiedene Hindernisse, Flecken mit anderen Atomen zu teilen und die Nutzung ihrer Wechselwirkung mit anderen Atomen in einem Prozeß bekannt als Interaktion verschoben-tunneling Resonanz getrennt ansteuern.

Die Beobachtung der diese Resonanzen über so viele Gitter Seiten sagte neu, Jonathan Simon, ein Physiker an der Universität von Chicago, die nicht an der Studie beteiligt war.

Jedoch "das tunneling Verfahren wird immer langsamer und langsamer je weiter die Atome müssen Hop. Dies nichts Gutes verheißt für die Skalierung solche Interaktion verschoben-tunneling Resonanzen auf eine größere Zahl der Gitter-Sites,"sagte Simon Leben Wissenschaft. "Glücklicherweise ist die Entwicklung Intuition für die Quantendynamik sogar fünf oder sechs Partikel schon spannend und wichtig."

Mit kalten Atomen zu simulieren und verstehen solche komplizierte Quantum Interaktionen eines Tages zur design-Technologien der nächsten Generation wie Raumtemperatur Supraleiter, hocheffiziente Wärme Transportsysteme oder Materialien mit neuartigen optischen Eigenschaften verwendet werden könnten, sagte Simon.

Die Ergebnisse wurden heute (12 Juni) in der Fachzeitschrift Science.

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