ایجاد تونل کوانتومی زمانبر است یا در آن واحد انجام می شود؟

[آیدا.ف]

رایج ترین آزمایش برای توضیح این پدیده عجیب کوانتومی، آزمایش توپ در تپه می باشد. طبیعتا توپ برای حرکت نیاز به مقدار انرژی معینی دارد وگرنه در جای خود باقی می ماند. اما در فیزیک کوانتوم، احتمالی وجود دارد که در آن توپ به صورت تصادفی شروع به حرکت کند که به آن فرایند تونل زنی کوانتومی می گویند. مدتهاست که این مسئله توسط دانشمندان به اثبات رسیده است که ذرات بنیادی خارج شونده از اتم ها، از اصلی ترین عوامل فروپاشی رادیواکتیویته هستند.

قسمتی از فرایند که هنوز مورد بحث دانشمندان است، مدت زمان لازم برای انجام این فرایند می باشد. دو نظریه در این باره وجود دارد. نظریه اول یا نظریه “مرد ساده” می گوید که این فرایند بصورت آنی اتفاق می افتد و الکترون متواری شده در انتهای تونل با سرعت صفر نمایان می شود. اما در سال ۱۹۵۵ میلادی، یوجین وگنر فیزیکدان این نظریه را ارائه داد که مدت زمانی محدود برای انجام این فرایند مورد نیاز است.

تیم تحقیقاتی موسسه پلانک به منظور بررسی این مسئله، عمل تونل زنی کوانتومی را توسط یک الکترون انجام دادند و به اندازه گیری زمان احتمالی مورد نیاز این فرایند پرداختند. از آنجایی که این فرایند در بازۀ زمانی بسیار کوچکی اتفاق می افتد، دانشمندان روشی جالب را به کار گرفتند که مشخص کند کدام نظریه در این فرایند اتفاق می افتد.

به منظور ایجاد فرایند تونل زنی، دانشمندان به مخلوطی از اتمهای گازهای کریپتون و آرگون، پالس های لیزری کوتاه ارسال کردند. این امر موقتا میدان الکتریکی که الکترون ها را در جای خود نگه می دارد، ضعیف کرده و احتمال ایجاد تونل توسط یکی از این الکترون ها را افزایش می دهد. مسیر خروج الکترون از هسته نیز با میدان الکتریکی لیزر هدایت می شود و در این آزمایش به خصوص، نور لیزر در حال چرخش است که خود باعث می شود “محفظه انرژی” که الکترون ها در آن قرار دارند نیز بچرخد.

این بدین معنی است که تیم تحقیقاتی می تواند با بررسی مسیر الکترون به این سوال پاسخ دهد. اگر این فرایند زمانبر باشد، محفظۀ انرژی باید کمی تغییر زاویه داده باشد و اگر این فرایند بصورت آنی اتفاق افتاده باشد، الکترون ها باید مسیر خروج متفاوتی داشته باشند. به منظور اندازه گیری زمان مورد نیاز برای ایجاد تونل توسط الکترون، محققان پالس های لیزری کوتاهی به اتم های در حال چرخش ارسال می کنند. اگر زمان انجام فرایند صفر باشد(نظریه مرد ساده) این کار تاثیری بر الکترون نخواهد گذاشت اما اگر این کار زمانبر باشد(نظریه وگنر) مسیر حرکت الکترون دارای انحراف خواهد بود.

استفاده از اتم های کریپتون و آرگون به مشاهدۀ تفاوت در مسیر خروج کمک بسیاری کرد. موانع این اتم ها ارتفاع و طول تونل مختلفی دارند که این معنی را می دهد که اگر زمانی برای این فرایند مورد نیاز بود، تفاوتی جزئی در مسیر خروج مشاهده می شد. اگر هم که زمان انجام این فرایند صفر باشد، الکترون های هر دو اتم مسیر مشابهی خواهند داشت. محققان دریافتند که زمان بدون شک نقش مهمی در این فرایند ایفا می کند. در این آزمایش،۸۰ و ۱۸۰ اتوثانیه(یک میلیاردم میلیاردم ثانیه) طول کشید که الکترونها عمل تونل زنی کوانتومی را انجام دهند که اثباتی بر نظریه قدیمی وگنر فیزیکدان بود