光速の突破：量子トンネルの謎

トンネリングとして知られる量子物理学の驚くべき現象では、粒子が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らは、粒子がトンネル内で費やす時間はこれまで誤って測定されてきたと考えている。 彼らは、量子粒子の速度を止める新しい方法を提案しています。

古典物理学には、回避できない厳格なルールがあります。 たとえば、転がるボールに十分なエネルギーがないと、丘を越えることはできませんが、頂上に到達する前に向きを変え、方向を逆にしてしまいます。 量子物理学では、この原則は完全に厳密ではありません。粒子は、たとえ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。 あたかもトンネルの中を滑りているかのように動作するため、この現象は「量子トンネル」とも呼ばれます。 魔法のように見えるものは、フラッシュ メモリ ドライブなど、具体的な技術的応用例があります。

量子トンネルと相対性理論

過去には、超光速の粒子を使った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を超える速度を禁止しています。 したがって、問題は、これらの実験でトンネリングに必要な時間が適切に「一時停止」されたかどうかです。 ダルムシュタット大学の物理学者パトリック・シャッハ氏とイーノ・ギース氏は、トンネル粒子の「時間」を決定するための新しいアプローチに従っています。 彼らは今回、新たな測定方法を提案した。 彼らの実験では、トンネリングの量子的性質により適していると考えられる方法で測定しました。 彼らは実験計画を有名な雑誌に掲載しました 科学の進歩。

波動粒子二重性と量子トンネリング

量子物理学によれば、原子や光の粒子などの小さな粒子には二重の性質があります。

実験に応じて、それらは粒子のように、または波のように動作します。 量子トンネル効果は、粒子の波の性質を強調します。 「波束」が水流のようにバリアに向かって転がっていきます。 波高は、粒子の位置が測定された場合に、その位置で粒子が物質化する確率を示します。 波束がエネルギー障壁にぶつかると、その一部が反射されます。 ただし、ごく一部がバリアを貫通するため、粒子がバリアの向こう側に現れる可能性は低いです。

トンネル速度の再評価

これまでの実験では、光粒子は自由行程を持った粒子よりもトンネリング後に長い距離を移動することが観察されました。 したがって、光よりも速く移動した可能性があります。 しかし、研究者らは粒子が通過した後にその位置を特定する必要があった。 彼らは波束の最高点を選びました。

「しかし、粒子は古典的な意味での経路をたどらない」とイーノ・ギースは反対する。 特定の時間に粒子がどこにあったかを正確に判断することは不可能です。 このため、A から B に移動するのに必要な時間について明言することが困難になります。

トンネリング時間を測定するための新しいアプローチ

一方、シャッシュ ブリーフは、アルバート アインシュタインの「時間は時計で読むものです」という言葉に導かれています。 彼らは、トンネル粒子自体を時計として使用することを提案しています。 2 番目の未使用のパーティクル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、量子トンネル中に時間が経過するのが遅いのか、速いのか、それとも同じ速度で経過するのかを判断することができます。

粒子の波の性質により、このアプローチが容易になります。 波の振動は時計の振動に似ています。 具体的には、シャッハとギース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。 Aに宛てた後 トウモロコシ レーザーパルスにより、それらのレベルは最初に同期して振動し、原子時計が始まります。 トンネル中はリズムが少し変わります。 2 番目のレーザー パルスにより、原子の 2 つの内部波が重なり合います。 干渉を検出すると、2 つのエネルギー レベルの波がどれだけ離れているかを測定でき、これにより経過時間を正確に測定できます。

トンネルを掘らない 2 番目の原子については、トンネルを掘ったときと掘らなかったときの時間差を測定するための基準となります。 物理学者の計算によれば、トンネル粒子は少し遅れて出現することになる。 「トンネルを掘って掘られた時計は、他の時計より少し古いです」とパトリック・シャッハ氏は言います。 これは、光の超高速性がトンネル効果によるものであるとする実験と矛盾しているようです。

実験実施の課題

原理的には、このテストは現在のテクノロジーを使用して実行できるが、実験には大きな課題が生じるとシャッハ氏は言う。 計測すべき時間差はわずか10秒程度だからだ。^-26 数秒 – 非常に短い時間です。 この物理学者は、個々の原子の代わりに原子の雲を時計として使用すると役立つと説明しています。 たとえばクロック周波数を人為的に増加させることによって、効果を増幅することも可能です。

「私たちは現在、実験仲間とこのアイデアについて話し合っており、プロジェクトパートナーとも連絡を取っているところです」とギッツィ氏は付け加えた。 研究チームが間もなくこのエキサイティングな実験の実施を決定する可能性が非常に高いです。

参考文献: パトリック・シャッハとイーノ・ギースによる「ラムゼイ時計によって推進されるトンネル時間の統一理論」、2024 年 4 月 19 日、 科学の進歩。
土井: 10.1126/sciadv.adl6078