Για δεκαετίες, οι Φυσικοί προσπαθούσαν να απαντήσουν σε ένα από τα πιο μυστηριώδη ερωτήματα της κβαντικής μηχανικής: πόσο χρόνο χρειάζεται πραγματικά ένα ηλεκτρόνιο για να «αποδράσει» από ένα άτομο, διαπερνώντας ένα φαινομενικά αδιαπέραστο ενεργειακό φράγμα μέσω του φαινομένου του tunneling; Η απάντηση βρισκόταν θαμμένη μέσα σε απειροελάχιστες χρονικές κλίμακες, της τάξης των attoseconds (ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου).
Πλέον, μια διεθνής ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Wen Li από το Wayne State University, πέτυχε μια αποφασιστική πρόοδο χάρη σε μια αναβαθμισμένη εκδοχή της λεγόμενης «ατορολογιακής διάταξης φάσης» (phase-resolution attoclock). Η τεχνολογία αυτή βασίζεται σε μια ιδέα που πρωτοπαρουσιάστηκε το 2008 από τη φυσικό Ursula Keller και επιτρέπει τη μελέτη της χρονικής στιγμής κατά την οποία συμβαίνει το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας.
Η αρχική μέθοδος βασιζόταν στη χρήση παλμών laser με περιστρεφόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο εξωθούσε το ηλεκτρόνιο μακριά από το άτομο. Η γωνία διαφυγής του ηλεκτρονίου παρείχε ενδείξεις για τη χρονική στιγμή της εξόδου του. Ωστόσο, η εν λόγω διαμόρφωση παρουσίαζε περιορισμούς, κυρίως λόγω της ελλειπτικής τροχιάς του φωτεινού πεδίου και της ανάγκης για σύνθετα μαθηματικά μοντέλα, με αποτέλεσμα τα δεδομένα να είναι συχνά αμφίσημα.
Η καινοτομία της νέας έρευνας έγκειται στη χρήση απολύτως κυκλικών κυμάτων φωτός και στον συγχρονισμό με βάση μια κρίσιμη παράμετρο: τη φάση carrier-envelope phase - CEP. Αυτή η λεπτή διαφορά φάσης μεταξύ της μορφής του παλμού laser και της κορυφής του ηλεκτρικού του πεδίου επέτρεψε στους ερευνητές να συγχρονίσουν με ακρίβεια την κορυφή αυτή με τη στιγμή εκτίναξης του ηλεκτρονίου, επιτυγχάνοντας πρωτοφανή ακρίβεια στη μέτρηση.
Το αποτέλεσμα της μελέτης είναι εντυπωσιακό: το ηλεκτρόνιο διαπερνά το φράγμα αμέσως μόλις το ηλεκτρικό πεδίο φτάσει το κρίσιμο όριο. Δεν καταγράφηκε καμία μετρήσιμη χρονική καθυστέρηση, ούτε καν στην κλίμακα των attoseconds. Με άλλα λόγια, η διαδικασία του quantum tunneling φαίνεται να συμβαίνει στιγμιαία.
Αυτή η παρατήρηση ανατρέπει προηγούμενες θεωρίες που υποστήριζαν ότι το ηλεκτρόνιο «παρέμενε» για κάποιο χρονικό διάστημα εντός του κβαντικού φράγματος. Αντί αυτού, οι ερευνητές υποδεικνύουν ότι ο καθοριστικός παράγοντας είναι η ισχύς με την οποία το άτομο συγκρατεί το ηλεκτρόνιο, και όχι κάποια χρονική διάρκεια κατά την οποία το ηλεκτρόνιο «περιμένει» να περάσει.
Οι συνέπειες αυτής της ανακάλυψης είναι ευρείες. Πέρα από την αναθεώρηση θεωρητικών μοντέλων, ανοίγεται ο δρόμος για καλύτερη κατανόηση των υπερταχέων φυσικών φαινομένων, όπως οι χημικές αντιδράσεις και οι μοριακές μεταβολές σε πραγματικό χρόνο. Η αυξημένη ακρίβεια της νέας τεχνολογίας καθιστά την attoclock ένα υποσχόμενο εργαλείο για εφαρμογές σε φασματοσκοπία, με μελλοντικές προεκτάσεις στην ανάπτυξη φαρμάκων, στη νανοτεχνολογία και στην υλοποίηση υλικών για την κβαντική υπολογιστική.
Το επόμενο βήμα για την ερευνητική ομάδα είναι ήδη σε εξέλιξη: η ανάπτυξη της «zeptoclock», μιας διάταξης ικανής να μετρήσει ακόμη μικρότερα χρονικά διαστήματα – της τάξης των zeptoseconds (ένα τρισεκατομμυριοστό του attosecond). Με αυτήν, οι επιστήμονες ελπίζουν να αποκαλύψουν καθυστερήσεις που παραμένουν σήμερα αόρατες, ακόμη και για τα πιο εξελιγμένα όργανα μέτρησης.
Η έρευνα αυτή ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην κατανόηση της χρονικότητας των κβαντικών φαινομένων, υπογραμμίζοντας ότι η πρόοδος στην επιστήμη δεν εξαρτάται μόνο από θεωρητικές ιδέες, αλλά και από την τεχνολογική εξέλιξη των μέσων παρατήρησης.
[via]
