Ученые впервые в истории измерили время туннелирования атома

Это открытие, сделанное командой из Испании и Канады, поможет в разработке квантовых компьютеров и других устройств, действие которых основано на законах новой физики.

Туннелирование — ​загадочное квантовое явление: атом преодолевает барьеры, которые в классической физике считаются непреодолимыми. Эффект туннелирования проявляется, например, в фотосинтезе или ядерных реакциях в звездах. Его используют при разработке сверхпроводящих магнитометров для квантовых компьютеров. Знание о том, сколько времени занимает туннелирование, очень важно для таких работ. Но точно измерить его обычными часами невозможно: масштабы объектов и явлений слишком малы.

Группа ученых под руководством Эфраима Стейнберга из канадского Университета Торонто решила использовать атомные часы Лармора. Они чувствительны к магнитному полю и в его присутствии набирают некоторую фазу. Когда ион (заряженный атом) оказывается внутри барьера, ларморовские часы начинают набирать фазу, а когда частица покидает барьер, набор фазы останавливается. Получается, что время набора фазы и есть время туннелирования. «У нас были часы, которые «тикают» только тогда, когда атом находится внутри барьера, поэтому, когда мы смотрели на «стрелку» часов после выхода атома, она показывала нам, как долго атом находился в барьере», — ​пояснил в беседе с корреспондентом «СР» Эфраим Стейнберг.

Эксперимент проводили в лаборатории лазерного охлаждения и квантовой оптики физического факультета Университета Торонто. Барьер создали с помощью лазера из 8 тыс. ионов рубидия. Физики могли варьировать форму барьера, а также скорость ионов, налетающих на него. Опыт показал, что барьер толщиной 1,3 мкм атом преодолевает за 610 мкс.

Эксперимент подтвердил предположение о том, что время туннелирования атома зависит от скорости его движения и от толщины барьера, который он преодолевает. «Явление туннелирования имеет центральное значение в квантовой физике, — ​отметил Эфраим Стейнберг. — ​Я считаю, что более глубокое его понимание поможет нам в создании устройств будущего, которые будут базироваться на принципе туннелирования».