Prvi dokazi, da kvantno tuneliranje ni hipno

Kanadski raziskovalci so izvedli tehnično navdušujoč eksperiment, ki nakazuje, da kvantni tunelski pojav zahteva svoj čas in da delci nekaj časa preživijo v potencialni oviri.

Kvantni tunelski pojav je poleg prepletenosti in superpozicije stanj tretja na lestvici tistih čudaških značilnosti kvantne mehanike, s katerimi strašimo majhne otroke. V jedru gre za dejstvo, da se lahko majhne količine kvantnih delcev znajdejo na drugi strani ovir, preko katerih sicer na klasične načine zaradi prenizke energije ne morejo priti. Računsko zadeva izhaja iz samih osnov kvantne mehanike: ko rešimo Schrödingerjevo enačbo za primer potencialne ovire, dobimo za rešitev od prvega roba prepreke naprej eksponentno padajočo funkcijo, ki sicer hitro konvergira k ničli, a je vseeno tudi za oviro večja od nič. To pomeni - tudi za oviro obstaja od nič različna verjetnost nahajanja delca. V makroskopskem svetu so možnosti za to, da bomo zatunelirali skozi Karavanke, precej premajhne za praktično opazovanje ali rabo, toda na dovolj majhnih ravneh toliko pridobijo na vrednostih, da so osnova za vrsto pojavov in uporab; na primer v kvantno-tunelskem mikroskopu.

Obnašanje delcev v sami oviri se je doslej večjidel izmikalo natančnejši obravnavi, saj je fizikom primanjkovalo opornih točk, na katerih bi lahko gradili opazovalne metode in principe. Poskusov opazovanja je bilo sicer že več, a niso prinesli korenitejšega donosa k znanju; eden je lani celo poskrbel za senzacionalistično širjenje ideje, da je pojav hipen, čeprav tega iz tistih izsledkov v resnici ne moremo sklepati. Zdaj pa je raziskovalcem z Univerze v Torontu uspelo z rabo najsodobnejših metod pokazati, kako bi bilo morda mogoče meriti čas, ki ga delci potrebujejo za tunelski skok, kar so popisali v reviji Nature. Poleg znanstvenega gre tudi za svojevrsten tehnološki dosežek, saj so izkoristili več zadnjih krikov mode v laboratorijski tehniki.

Uporabili so oblak Bose-Einsteinovega kondenzata velikosti med pet in deset tisoč rubidijevih atomov, ohlajenih na en nanokelvin. Z blagim magnetnim poljem in laserskimi pincetami so ga potisnili proti 1,3 mikrona široki potencialni oviri iz modrega laserja. Slednji je hkrati služil za vir magnetnega polja, ki je delovalo na spine atomov. Za merjenje časa so namreč uporabili tako imenovano "Larmorjevo uro" - metodo, po kateri merimo čas skozi precesiranje atomskih spinov v zunanjem magnetnem polju. Pri tem so morali uporabiti "blago meritev", kjer so na koncu povprečili izmerjene spremembe na celem oblaku; če bi skušali postopek izvesti na posameznih atomih, bi jih namreč nepopravljivo zmotili.

Rezultati meritev kažejo, da naj bi atomi v povprečju v oviri preživeli kar 0,61 milisekunde. To je za kvantne razmere precej velika vrednost, pri čemer celo kaže, da se zmanjšuje, če se atome v oviro potiska počasneje, kar je seveda precej neintuitivno. Gre za razburljive podatke, tako glede samih meritev kot metode, ki bodo v skupnosti deležne velike pozornosti - še posebno pristop s šibko meritvijo. Kanadčani se razprave veselijo, na naslednji stopnji pa se želijo lotiti dogajanja v sami oviri. Odkritje pa odpira vrata natančnejši obravnavi mnogih pojavov, kjer ima kremplje poleg tuneliranje, od fotosinteze do rokovanja z atomsko fuzijo.