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粒子|量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速( 三 )


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量子隧穿：当波包撞上势垒时 ， 它的一部分会反射 ， 另一部分则隧穿通过势垒 。
由于粒子的确切轨迹不可知 ， 研究人员开始寻求一种更具概率性的方法 。 他们考虑了这样一个事实：当一个波包撞击一个势垒之后 ， 在每一个瞬间 ， 粒子都有一些概率处于势垒内部（也有一些概率不在） 。 然后 ， 物理学家将每一时刻的概率相加 ， 再得出平均的隧穿时间 。
至于如何测量概率 ， 从20世纪60年代末开始 ， 物理学家们便设想了各种各样的思维实验 。 在这些实验中 ， “时钟”可以附于粒子本身 。 如果每个粒子的时钟只在势垒内滴答作响 ， 而且你可以读取许多透射粒子的时钟 ， 那它们就将显示不同的时间范围 ， 平均之后变得到隧穿时间 。
当然 ， 所有这些都说起来容易做起来难 。 雷蒙·拉莫斯（Ramon Ramos）是7月份发表在《自然》杂志上那篇论文的第一作者 ， 他说：“他们只是想出了一些疯狂的主意来测量这段时间 ， 并且认为这永远不会发生 。 现在科学已经进步了 ， 我们很高兴能将这个实验变成现实 。 ”
嵌入式时钟
尽管物理学家从20世纪80年代就开始测量隧穿时间 ， 但是近年来兴起的超精确测量始于2014年 ， 由苏黎世联邦理工学院的乌苏拉·凯勒（Ursula Keller）实验室率先实现 。 她的团队使用一种名为“阿秒钟”（attoclock）的技术来测量隧穿时间 。 在凯勒的阿秒钟中 ， 来自氦原子的电子遇到了一个势垒 ， 而这个势垒就像时钟的指针一样在适当位置转动 。 电子隧穿最常发生在电子势垒处于某一特定方向的时候 ， 我们称这个方向为阿秒钟的“正午” 。 然后 ， 当电子从势垒中出现时 ， 它们会被踢向一个取决于此时势垒排列的方向 。 为了测量隧穿时间 ， 凯勒的团队测量了“正午”（对应大多数隧穿事件开始的时间）与大部分出射电子的角度之间的角差 。 他们测量到了50阿秒（1阿秒为十亿分之一秒的十亿分之一 ， 即1×10^-18秒）的差值 。
在2019年发表的论文中 ， 利特文亚克的团队改进了凯勒的阿秒钟实验 ， 将氦原子换成了更简单的氢原子 。 他们测量到的时间甚至更短 ， 最多为2阿秒 ， 这表明隧穿效应几乎是瞬间发生的 。
然而 ， 一些专家后来得出结论 ， 认为阿秒钟测量的时间长度并不能很好地代表隧穿时间 。 曼佐尼于2019年发表了一篇对测量结果的分析论文 ， 认为这种方法与哈特曼关于隧穿时间的定义一样存在缺陷：从事后的角度看 ， 从势垒中隧穿而出的电子可以说原本就领先一步 。
与此同时 ， 斯坦伯格、拉莫斯与他们在多伦多大学的同事大卫·施皮林斯（David Spierings）和伊莎贝尔·雷切科特（Isabelle Racicot）进行了一项更有说服力的实验 。
这种替代方法利用了许多粒子的自旋属性 。 在量子力学中 ， 自旋是粒子的内禀性质 ， 由此可以产生一个磁场 。 在测量时 ， 自旋就像一个箭头 ， 只能指向上或下 。 但在测量之前 ， 自旋可以指向任何方向 。 正如爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）在1897年发现的那样 ， 当粒子处于磁场之中时 ， 自旋的角度会旋转 ， 或称“进动”（precesses） 。 多伦多大学的研究小组便利用这种进动来充当所谓“拉莫尔钟”的指针 。
粒子|量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速
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当一个铷原子穿过一个磁势垒时 ， 它的自旋会发生进动 。 物理学家通过测量这种进动 ， 获得了该原子在势垒内部停留的时间 。
研究人员使用一束激光作为势垒 ， 并开启其中的磁场 。 然后 ， 他们准备了自旋朝特定方向排列的铷原子 ， 并让这些原子向势垒漂移 。 接下来 ， 他们测量了从势垒另一侧出来的原子的自旋 。 测量任何单个原子的自旋总是会返回一个“上”或“下”的模糊答案 。 但是通过反复测量 ， 收集到的测量结果将会揭示原子在势垒内部进动角度的平均值——以及它们通常在那里停留的时间 。


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