科學也可以如此靠近

量子世界中的「穿牆術」有多快?

4月
15
2019

2019年4月15日09時 今日科學 中科院物理所

中科院物理所

禁止二次轉載。

在日常生活中,如果你想穿過一面堅硬的牆,等待你的只有一個結果:碰壁。這符合我們的預期,畢竟所謂的穿牆術從來都只發生在小說中。但當我們進入到越來越小的世界中時,事情將會變得非常不一樣!這是因為在微觀世界中,經典的物理定律將不再適用,取而代之的是物理學中的量子力學。

試想一下,如果你把自己變成一個量子粒子,把固體牆換成量子障礙,就會發生意想不到的事情:你確實有機會穿過那看似不可逾越的障礙!這個過程被稱為量子隧穿,是量子力學的主要特徵之一。

但關於量子隧穿,有一個問題一直困擾著我們:一個量子粒子穿過障礙的速度可以有多快?

過去,關於這個問題的爭論都只停留在理論上。但就在最近發表於《自然》雜誌的一項研究中,這個問題被部分地解決了。這很重要,因為它可能是一個對那些在未來隨處可見的技術都產生重大影響的科學突破。

事實上,今天的許多技術——如半導體、智慧型手機的LED螢幕或者雷射——都是基於我們對量子世界中事物的運作方式的理解。所以我們能夠學習的越多,能夠發展的也就越多。

1. 量子隧穿

當我們說量子粒子(比如電子)可以穿過障礙時,我們指的不是實體的障礙物,而是能量勢壘。量子隧穿之所以可能發生,是因為電子具有波的特性。量子力學為每一個粒子都賦予了波的特性,而且波穿透障礙的機率總是有限的,就像聲波穿透牆壁時那樣。

量子隧穿聽起來有悖於直覺,但卻是許多技術的基礎,例如使得科學家能夠創造出原子級解析度圖像的掃描隧道顯微鏡。此外,核聚變以及光合作用等生物學過程中也可以自然地觀察到量子隧穿現象。

雖然量子隧穿現象得到了很好的研究和應用,但物理學家對它仍然缺乏完整的理解,特別是在動力學方面。如果我們能對隧穿的動力學原理(比如用它來攜帶更多的信息)加以利用,那麼或許能為未來的量子技術帶來新的方法。

2. 隧穿速度實驗

實現這個目標的第一步是測量隧穿過程的速度。這並不容易,因為測量所涉及的時間尺度非常小。

一些物理學家已經計算過,對於尺度為十億分之幾米的能量勢壘,隧穿過程需要大約幾百個阿托秒(一個阿托秒是十億分之一秒的十億分之一,也就是10⁻¹⁸秒)。我們可以通過一個比較來體會一個阿托秒的時間:如果將一個阿托秒拉長到一秒,那麼一秒就等於宇宙的年齡。

由於預測的隧穿時間是如此之短,所以之前物理學家都將隧穿過程看作是瞬時的。要測量如此短暫的時間,在實驗中就需要一個能夠以極高的準確度和精確度對事件進行記時的時鐘。在格里菲斯大學量子動力學中心的澳大利亞阿托秒科學設施上,超快雷射系統的技術進步讓我們得以實現這樣一個時鐘。

實驗中的時鐘既不是機械的也不是電子的,而是超快雷射脈衝的旋轉電場矢量。我們知道,光不過是快速變化的電場和磁場構成的電磁輻射。於是我們使用這個快速變化的電磁場來誘導原子氫中的隧穿現象,並作為時鐘來測量隧穿過程何時終止。

選擇使用原子氫(僅由一個電子和一個質子結合而成)避免了其他原子會出現的複雜性,並讓研究人員能夠更容易地對結果進行明確地比較和詮釋。

3. 有多快?

實驗測量到的隧穿時間不超過1.8阿托秒,比一些理論預測的還要小得多。這樣的測量結果迫使我們需要重新思考對隧穿動力學的理解。

不同的理論計算了一系列的隧穿時間——從0到數百阿托秒不等,但究竟哪一個理論的預測是正確的,物理學家還沒有達成共識。這種分歧的一個基本原因在於量子力學中具有獨特的時間概念。由於量子不確定性,一個粒子進入或離開勢壘的時間不可能是絕對確定的。但像這樣對簡單系統進行精確測量的實驗可以讓我們對量子時間有更精細的理解。

○ 過去,量子隧穿所需要的時間從未被測量過。但隨著超快雷射和阿托秒計量學的快速發展,使物理學家有機會進入阿托秒的領域。在氫原子這樣簡單的系統中,電子有一個有限的、非零的機率會隧穿到一個非束縛態。最新測量表明,這個隧穿時間不超過1.8阿托秒。| 圖片來源:AASF / GRIFFITH UNIVERSITY / CENTRE FOR QUANTUM DYNAMICS

4. 下一代技術

技術世界的量子飛躍往往根植於對基礎科學的追求。未來的量子技術將融合許多量子特性,比如疊加和糾纏,這將引起技術專家所說的「第二次量子革命」。

通過充分理解最簡單的氫原子隧穿事件的量子動力學,研究人員已經證明,某些類型的理論能夠給出正確的答案,而其他類型的理論則不能。這讓我們能夠更有信心將一些理論應用於其他更複雜的系統。

阿托秒時間尺度的測量不僅為未來的量子技術增加了一個額外的維度,而且從根本上有助於我們理解量子世界中一個基本卻常常被忽視的問題:時間是什麼?

撰文:U. Satya Sainadh

原文標題為「We did a breakthrough 『speed test』 in quantum tunnelling, and here’s why that’s exciting」,首發於2019年3月19日的The Conversation。

編輯:Shiny


延伸閱讀

如果全球的冰川融化會怎樣?這些地方最先被淹沒!您

中國科學家最早發現螺旋結構DNA

假如地球被放大到木星那麼大,會發生什麼樣的情況?

國外發生罕見的「森林呼吸」現象,科學家:一旦遇到

專訪袁隆平:不能躺在功勞簿上睡大覺,未來創造更多


熱門內容

友善連結