驚くべき光の速度：量子トンネリングの謎

トンネリングと呼ばれる量子物理学の驚くべき現象では、粒子は光の速度よりも速く動いているように見えます。 しかし、ダルムシュタットの物理学者たちは、これまで粒子がトンネリングされるのにかかる時間が誤って測定されたと信じています。 彼らは量子粒子の速度を停止する新しい方法を提案します。

古典物理学にはバイパスできない厳しい法則があります。 例えば、転がるボールに十分なエネルギーがなければ、丘を越えないでしょう。 代わりに、ピークに達する前に再びロールダウンされます。 量子物理学では、この原理はそれほど厳しくありません。 ここで、粒子はバリアを通過するのに十分なエネルギーがなくてもバリアを通過することができます。 まるでトンネルを出るように作用するため、この現象を「量子トンネリング」とも呼ばれます。 単純な理論的な魔法とは遠いこの現象は、フラッシュメモリドライブの動作などの実用的なアプリケーションが可能です。

量子トンネリングと相対性理論

過去には、粒子が光よりも速くトンネリングされる実験が注目を集めた。 結局のところ、アインシュタインの相対性理論は光よりも速い速度を禁止します。 したがって、問題は、これらの実験においてトンネリングに必要な時間が正しく「停止」されたかどうかである。 TU Darmstadtの物理学者Patrick SchachとEnno Gieseは、トンネリング粒子の「時間」を定義する新しいアプローチに従います。 彼らは今この時間を測定する新しい方法を提案しました。 実験では、トンネリングの量子特性に適していると信じる方法でこれを測定します。 彼らは有名なジャーナルに実験計画を発表しました。 科学の発展。

波動 – 粒子二重性と量子トンネリング

量子物理学によると、原子や光粒子などの小さな粒子は二重性を持っている。

実験に従って粒子のように振る舞うか、波のように振る舞う。 量子トンネリングは粒子の波動特性を強調する。 水の急増に似た「波のパケット」が障壁に向かって転がります。 波の高さは、粒子の位置が測定されたときにこの位置で粒子が具体化される確率を表します。 波動パケットがエネルギー障壁に当たると、その一部が反射される。 しかし、小さな部分がバリアを貫通し、粒子がバリアの反対側に現れる可能性は少ない。

トンネリング速度の再評価

以前の実験では、光粒子がトンネル後の自由経路を有する粒子よりも長い距離を移動したことが観察された。 したがって、それは光よりも速く移動しました。 しかし、研究者は粒子が通過した後に粒子の位置を定義しなければなりませんでした。 彼らは波のパケットの最高点を選んだ。

「しかし、粒子は古典的な意味の道をたどりません」とEnno Gieseは反対します。 特定の時間に粒子が正確にどこにあるかを言うことは不可能です。 このため、ＡからＢまでの移動に要する時間を説明することが困難である。

トンネリング時間測定に対する新しいアプローチ

一方、SchachとGieseはAlbert Einsteinの引用に従います。 「時間は時計で読むことです」 彼らはトンネリング粒子自体を時計として使用することを提案しています。 トンネリングされていない2番目の粒子は参照として機能します。 これら2つの自然時計を比​​較することで、量子トンネリング中に時間がゆっくりと流れているのか、速いのか、まったく同じ速いのかを判断できます。

粒子の波動特性はこのアプローチを容易にします。 波の振動は時計の振動に似ています。 特にSchachとGieseは、原子を時計として使用することを提案しています。 原子のエネルギー準位は特定の周波数で振動します。 住所を指定した後 原子 レーザーパルスを使用すると、レベルが最初に同期して振動し、原子時計が始まります。 ただし、トンネリング中はリズムが若干変わります。 2番目のレーザーパルスは、原子の2つの内部波を干渉させます。 干渉を検出すると、エネルギーレベルの2つの波がどれだけ離れているかを測定でき、経過時間を正確に測定できます。

トンネリングされていない2番目の原子は、トンネリングと非トンネリングとの間の時間差を測定するための基準として機能します。 両方の物理学者の計算によると、トンネリング粒子はわずかに遅れた時間を示すでしょう。 「トンネリングされた時計は他の時計より少し古いです」とPatrick Schachは言います。 これはトンネリングに超光速速度を与えた実験と矛盾するようです。

実験実施の課題

原則として、このテストは今日の技術で行うことができますが、これは実験者にとって大きな課題であるとSchachは言います。 測定する時間差が約10程度に過ぎないからです。^-26 秒 – 非常に短い時間です。 個々の原子の代わりに原子雲を時計として使用するのが役に立つと物理学者は説明します。 例えば、人為的にクロック周波数を上げて効果を増幅することも可能である。

「私たちは現在、実験的な同僚とこのアイデアを議論しており、プロジェクトパートナーとも接触しています」とGieseは付け加えます。 チームがすぐにこの興味深い実験を行うことに決める可能性が高いです。

参照：Patrick SchachとEnno Gieseによって書かれた「ラムジー時計によって促進されたトンネリング時間の統合理論」、2024年4月19日、 科学の発展。
DOI：10.1126/sciadv.adl6078