De snelheid van het licht doorbreken: het Quantum Tunnel Mystery

In een verbazingwekkend fenomeen uit de kwantumfysica, bekend als tunneling, lijken deeltjes sneller te bewegen dan de snelheid van het licht. Natuurkundigen uit Darmstadt zijn echter van mening dat de tijd die deeltjes in de tunnel doorbrengen tot nu toe onjuist is gemeten. Ze stellen een nieuwe manier voor om de snelheid van kwantumdeeltjes te stoppen.

In de klassieke natuurkunde gelden strikte regels die niet kunnen worden omzeild. Als een rollende bal bijvoorbeeld niet genoeg energie heeft, zal hij niet over de heuvel gaan, maar zal hij ronddraaien voordat hij de top bereikt en in omgekeerde richting gaat. In de kwantumfysica is dit principe niet helemaal strikt: een deeltje kan een barrière passeren, zelfs als het niet genoeg energie heeft om er doorheen te komen. Het gedraagt ​​zich alsof het door een tunnel glijdt. Daarom wordt dit fenomeen ook wel ‘kwantumtunneling’ genoemd. Wat magisch lijkt heeft concrete technische toepassingen, bijvoorbeeld in flash-geheugenschijven.

Kwantumtunneling en relativiteit

In het verleden hebben experimenten met deeltjes die sneller zijn dan het licht enige aandacht getrokken. De relativiteitstheorie van Einstein verbiedt immers snelheden groter dan het licht. De vraag is dus of de tijd die nodig is voor het tunnelen bij deze experimenten op de juiste manier is ‘gepauzeerd’. Natuurkundigen Patrick Schach en Eno Giese van de Universiteit van Darmstadt volgen een nieuwe benadering om de ‘tijd’ van een tunnelend deeltje te bepalen. Ze hebben nu een nieuwe manier van meten voorgesteld. In hun experiment hebben ze het gemeten op een manier die volgens hen beter past bij de kwantumaard van tunneling. Ze publiceerden hun experimentontwerp in het beroemde tijdschrift Vooruitgang van de wetenschap.

Dualiteit van golven en deeltjes en kwantumtunneling

Volgens de kwantumfysica hebben kleine deeltjes zoals atomen of lichtdeeltjes een tweeledig karakter.

Afhankelijk van het experiment gedragen ze zich als deeltjes of als golven. Kwantumtunneling benadrukt het golfkarakter van deeltjes. Een “golfpakket” rolt naar de barrière, vergelijkbaar met de waterstroom. Golfhoogte geeft de waarschijnlijkheid aan dat een deeltje zich op die locatie materialiseert als zijn positie zou worden gemeten. Als een golfpakket een energiebarrière raakt, wordt een deel ervan gereflecteerd. Een klein deel dringt echter door de barrière en er is een kleine kans dat het deeltje aan de andere kant van de barrière verschijnt.

Herevaluatie van de tunnelsnelheid

Eerdere experimenten hebben aangetoond dat een lichtdeeltje na het tunnelen een langere afstand aflegde dan een deeltje dat een vrij pad had. Daarom zou het sneller dan het licht hebben gereisd. Onderzoekers moesten echter de locatie van het deeltje bepalen nadat het was gepasseerd. Ze kozen het hoogste punt in het golfpakket.

‘Maar het deeltje volgt geen pad in de klassieke zin van het woord’, werpt Eno Giese tegen. Het is onmogelijk om precies te bepalen waar een deeltje zich op een bepaald moment bevond. Dit maakt het lastig uitspraken te doen over de tijd die nodig is om van A naar B te komen.

Een nieuwe benadering voor het meten van de tunneltijd

Aan de andere kant laat Shash Brief zich leiden door een citaat van Albert Einstein: “Tijd is wat je op de klok leest.” Ze stellen voor om het tunneldeeltje zelf als klok te gebruiken. Het tweede ongebruikte deeltje fungeert als referentie. Door deze twee natuurlijke klokken te vergelijken, is het mogelijk om te bepalen of de tijd tijdens kwantumtunneling langzamer, sneller of met dezelfde snelheid verstrijkt.

Het golfkarakter van deeltjes vergemakkelijkt deze aanpak. De oscillatie van golven is als de oscillatie van een klok. Concreet stellen Schach en Giese voor om atomen als klokken te gebruiken. De energieniveaus van atomen oscilleren op bepaalde frequenties. Na het aanspreken van A maïs Met een laserpuls oscilleren hun niveaus aanvankelijk synchroon: de atoomklok begint. Tijdens de tunnel verandert het ritme enigszins. Een tweede laserpuls zorgt ervoor dat de twee interne golven van het atoom elkaar overlappen. Het detecteren van interferentie maakt het mogelijk om te meten hoe ver twee energieniveaugolven uit elkaar liggen, wat op zijn beurt een nauwkeurige meting is van de verstreken tijd.

Het tweede atoom, dat niet getunneld is, dient als referentie voor het meten van het tijdsverschil tussen het graven van tunnels en het niet graven van tunnels. Berekeningen van natuurkundigen suggereren dat het tunneldeeltje iets later zal verschijnen. “De klok die door de tunnel is gegraven is iets ouder dan de andere klok”, zegt Patrick Schach. Dit lijkt in tegenspraak met experimenten die de snelheid van het licht toeschrijven aan tunneling.

De uitdaging van het implementeren van het experiment

In principe zou de test met de huidige technologie kunnen worden uitgevoerd, zegt Schach, maar het vormt een enorme uitdaging voor experimenten. Dit komt omdat het te meten tijdsverschil slechts ongeveer 10 bedraagt^-26 Seconden – een zeer korte tijd. De natuurkundige legt uit dat het helpt om wolken van atomen als klokken te gebruiken in plaats van individuele atomen. Het is ook mogelijk om het effect te versterken, bijvoorbeeld door de klokfrequenties kunstmatig te verhogen.

“We bespreken dit idee momenteel met onze experimentele collega’s en we hebben contact met onze projectpartners”, voegt Gizzi toe. Het is zeer waarschijnlijk dat het team binnenkort zal besluiten dit spannende experiment uit te voeren.

Referentie: “Unified theorie van tunneltijden gepromoot door Ramsey-klokken” door Patrick Schach en Eno Giese, 19 april 2024, Vooruitgang van de wetenschap.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078