Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por físicos da Universidade Griffith resolveu um dos grandes mistérios que atormentaram os cientistas desde o advento da física quântica - medindo o tempo que uma partícula leva para atravessar uma barreira.
Na física quântica, “tunelamento” é quando uma partícula que encontra uma barreira aparentemente intransponível passa por ela , terminando no outro lado.
Em um primeiro momento, experimentos conduzidos pela equipe de pesquisa da Griffith usando pulsos ultracurtos de luz e hidrogênio atômico na instalação única de laser da Universidade determinaram definitivamente o atraso do tunelamento, que é também o tempo que um elétron leva para sair ou ionizar de um átomo de hidrogênio.
O artigo 'Attosecond angular streaking e tempo de tunelamento em hidrogênio atômico' foi publicado na Nature .
O projeto de três anos foi liderado por físicos e doutores de Griffith ao lado de uma equipe de físicos teóricos internacionais, com testes realizados no Australian Attosecond Science Facility no campus Nathan Griffith's.
Investigadores da ligação Associate Professor Igor Litvinyuk e Professor Robert Sang do Centro de Quantum Dynamics dizem que o trabalho responde a uma n velha questão que “mesmo livros didáticos tratam como um problema a resolver”.
Classical vs Quantum
No mundo clássico, as leis da física de Newton são o que os grandes corpos físicos obedecem.
"Se você se apoiar em uma parede, essa parede empurra de volta a força para que você não a atravesse", disse o professor Sang.
“Mas quando você desce ao nível microscópico, as coisas se comportam de maneira bem diferente. É aqui que as leis da física mudam do clássico para o quântico ”.
Túnel de um trocador de jogo
No mundo da física quântica, se uma partícula empurra uma parede, ela pode realmente passar por ela, o que é conhecido como tunelamento.
A / Prof Litvinyuk , o professor Sang e a equipe conduziram experimentos no Australian Attosecond Science Facility durante três anos que mediram quanto tempo leva para uma partícula passar por essa parede.
"Nós usamos o átomo mais simples, o hidrogênio atômico, e descobrimos que não há demora no que podemos medir", disse o professor Sang.
"Agora que testamos esse átomo, podemos testar esse processo com outros átomos para possivelmente aprender novas formas de física", disse Litvinyuk .
"Sabemos que o átomo de teste nos dá zero de atraso, então todos os outros atrasos podem ser calibrados em relação a isso."
Os pesquisadores dizem que muitos itens do dia-a-dia dependem de tunelamento - como microscópios eletrônicos e transistores, que todos os computadores têm e dependem.
"Uma limitação que você pode pensar é o quão rápido eu posso fazer um transistor funcionar - o limite final será em parte a rapidez com que as partículas quânticas podem encapsular através de barreiras", disse o professor Sang.
“Para um computador clássico, isso implica um limite quanto à rapidez com que você pode alternar um transistor.
“Uma lei é absoluta - que é quanto tempo leva para a velocidade da luz percorrer uma certa distância. Então a questão é: há alguma violação em termos de tunelamento? ”
Como eles fizeram isso?
A equipe montou um experimento em que eles usaram uma das propriedades da luz e a transformaram em um 'relógio' chamado de atordoamento.
Ao enviar um pulso de luz para interagir com um átomo de hidrogênio, ele estabelece as condições para que o elétron solitário desse átomo possa atravessar uma barreira.
"Há um ponto bem definido onde podemos começar essa interação, e há um ponto em que sabemos onde o elétron deve sair se for instantâneo", disse o professor Sang.
“ Então, qualquer coisa que varie a partir desse momento, sabemos que levou tanto tempo para atravessar a barreira. É assim que podemos medir quanto tempo demora.
"Ele saiu para concordar com a teoria dentro da incerteza experimental, sendo consistente com o tunelamento instantâneo."
Os resultados deste teste diferiram de experimentos documentados anteriores, pois a equipe trabalhava com átomos de hidrogênio, que têm uma estrutura atômica simples.
"Testes anteriores em outros lugares usavam átomos mais complicados, contendo vários ou muitos elétrons", disse Litvinyuk .
“Para explicar a interação entre diferentes elétrons, eles usaram
modelos aproximados diferentes. E fora desses modelos eles extraíram os
tempos.
“Nosso modelo não usou aproximações porque não precisávamos nos preocupar com interações elétron-elétron.
“Além disso, em um desses experimentos eles mediram o tempo relativo de atraso entre duas espécies de átomos e não o tempo de atraso para um único átomo”.
Ciência extrema por trás da descoberta
A luz produzida pelos pulsos para medir o tempo de tunelamento no Australian Attosecond Science Facility tinha 30 gigawatts de energia instantânea, o que é mais do que a rede elétrica dos Estados Unidos.
Havia 1000 pulsos de luz por segundo disparados no átomo de hidrogênio, o que significa que para cada milissegundo há um pulso de luz muito curto.
"Se eu esticasse o pulso de luz para durar um segundo, teria que esperar 50 mil anos até que o próximo pulso de luz passasse", disse o professor Sang.
“ Então eles são muito curtos e são muito intensos.
“Sabemos que o tempo de tunelamento deve ser inferior a 1,8 attossegundos - o que representa um bilionésimo de um bilionésimo de segundo.
"É difícil avaliar o quanto isso é curto, mas é preciso um elétron de cerca de cem attossegundos para orbitar um núcleo em um átomo".
Griffith há muito apoia a pesquisa em física na universidade e forneceu recursos significativos para apoiar a extraordinária infraestrutura experimental.
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