A livello subatomico, le particelle possono volare attraverso barriere apparentemente invalicabili come i fantasmi.
Per decenni, i fisici si sono chiesti quanto tempo impiega questo cosiddetto tunneling quantistico. Ora, dopo un'indagine di tre anni, una squadra internazionale di fisici teorici ha una risposta. Hanno misurato un elettrone tunnel da un atomo di idrogeno e hanno scoperto che il suo passaggio era praticamente istantaneo, secondo un nuovo studio.
Le particelle possono passare attraverso oggetti solidi non perché sono molto piccole (anche se lo sono), ma perché le regole della fisica sono diverse a livello quantico.
Immagina una palla che rotola giù da una valle verso un pendio alto come l'Everest; senza una spinta da un jetpack, la palla non avrebbe mai abbastanza energia per liberare la collina. Ma una particella subatomica non ha bisogno di andare oltre la collina per arrivare dall'altra parte.
Le particelle sono anche onde, che si estendono all'infinito nello spazio. Secondo la cosiddetta equazione delle onde, ciò significa che una particella può essere trovata in qualsiasi posizione sull'onda.
Ora immagina l'onda che colpisce una barriera; continua attraverso ma perde energia e la sua ampiezza (l'altezza del picco) scende di molto. Ma se l'ostacolo è abbastanza sottile, l'ampiezza dell'onda non decade fino a zero. Fintanto che rimane ancora energia nell'onda appiattita, c'è qualche possibilità - anche se piccola - che una particella possa volare attraverso la collina e fuori dall'altra parte.
Condurre esperimenti che hanno catturato questa inafferrabile attività a livello quantico è stato a dir poco "molto impegnativo", ha scritto Robert Sang, un fisico quantista sperimentale e professore alla Griffith University in Australia, in una e-mail.
"È necessario combinare sistemi laser molto complicati, un microscopio a reazione e un sistema a fascio atomico a idrogeno per funzionare tutti allo stesso tempo", ha detto Sang.
La loro configurazione stabilì tre importanti punti di riferimento: l'inizio della loro interazione con l'atomo; il tempo in cui ci si aspettava che un elettrone liberato emergesse da dietro una barriera; e il momento in cui è apparso effettivamente, Sang ha detto in un video.
Tenere il tempo con la luce
I ricercatori hanno utilizzato un dispositivo di cronometraggio ottico chiamato attoclock: ultracorti, impulsi di luce polarizzata in grado di misurare i movimenti degli elettroni al secondo, ovvero un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Il loro attoclock ha inondato gli atomi di idrogeno alla luce a una frequenza di 1000 impulsi al secondo, che ha ionizzato gli atomi in modo che i loro elettroni potessero sfuggire attraverso la barriera, i ricercatori hanno riferito.
Un microscopio di reazione sull'altro lato di una barriera ha misurato il momento dell'elettrone quando è emerso. Il microscopio di reazione rileva i livelli di energia in una particella carica dopo che interagisce con l'impulso di luce dall'attoclock, "e da ciò possiamo dedurre il tempo impiegato per attraversare la barriera", ha detto Sang a Live Science.
"La precisione con cui abbiamo potuto misurare questo era 1,8 attosecondi", ha detto Sang. "Siamo riusciti a concludere che il tunneling deve essere inferiore a 1,8 attosecondi" - quasi immediatamente, ha aggiunto.
Sebbene il sistema di misurazione fosse complesso, l'atomo utilizzato negli esperimenti dei ricercatori era semplice: l'idrogeno atomico, che contiene solo un elettrone. Precedenti esperimenti condotti da altri ricercatori hanno usato atomi che contenevano due o più elettroni, come elio, argon e krypton, secondo lo studio.
Poiché gli elettroni liberati possono interagire tra loro, tali interazioni possono influire sui tempi di tunneling delle particelle. Ciò potrebbe spiegare perché le stime degli studi precedenti fossero più lunghe rispetto al nuovo studio e di decine di attosecondi, ha spiegato Sang. La semplicità della struttura atomica dell'idrogeno ha permesso ai ricercatori di calibrare i loro esperimenti con una precisione che era fuori portata nei tentativi precedenti, creando un importante punto di riferimento rispetto al quale ora è possibile misurare altre particelle di tunneling, hanno riferito i ricercatori.
I risultati sono stati pubblicati online il 18 marzo sulla rivista Nature.
