用量子秒表测量铷原子隧穿时间

通过将一个50年前关于量子时钟的思想实验投入实践，物理学家首次测量了铷原子在量子隧穿过程中在“禁止”势垒区域内停留的时间——0.6毫秒。这项工作旨在解决围绕隧道掘进时间的争议，一些研究提出了有限的时间，而另一些研究则认为这个过程是瞬间的。

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解说员:什么是量子隧穿?

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隧穿允许粒子——例如光子、电子或原子——出现在它们没有足够能量超越的势能势垒的远端。虽然这种现象在太阳的核聚变甚至植物光合作用等过程中起着重要作用，但其细节仍然是个谜。几十年来，科学家们一直在试图确定一个粒子穿过屏障需要多长时间——这一努力已经被证明是有分歧的。一些科学家认为隧穿需要几阿秒，而另一些人则认为这是瞬间的，这意味着它比光速还要快。

这是因为量子尺度上的时间不能直接观察到，所以科学家们必须想出一个变通办法。最著名的实验之一是阿托钟，它通过测量椭圆偏振激光从原子中踢出的电子的角动量来推断隧穿时间。但实验必须对隧道掘进过程的开始时间做出一些假设。一些理论计算发现，测量到的动量实际上部分或全部来自于与隧穿时间无关的其他效应。

很短的时间

现在，一个团队围绕着雷蒙拉莫斯加拿大多伦多大学的科学家已经确定了超冷铷原子的隧穿时间——而且这不是瞬间的。拉莫斯说，这是第一次直接测量如此巨大的粒子在屏障内停留的时间。为了做到这一点，研究人员将一个有半个世纪历史的思想实验——拉莫尔时钟——付诸实践。

他们利用一束电磁场排斥原子偶极子的激光束创造了一个势能屏障。然后，大约8000个铷原子被冷却到如此接近绝对零度，以至于它们无法通过传统的方法克服屏障——它们唯一的逃脱方法是在磁场的推动下向屏障移动时穿隧。

一对拉曼激光器在实验中充当时钟。当原子在势垒内时，也只有在这个时候，激光场才会旋转它们的自旋。拉莫斯解释说，知道原子进入障壁之前的自旋状态，并测量出障壁后原子旋转了多远，就像有一个隧道秒表。当以4.1mm / s的速度移动时，原子在1.3μm厚的激光障内停留0.6ms。

拉莫斯说:“在我看来，我们的实验相当干净、相当简单。”“我认为这有助于解决这个有点争议的问题。”

滴答作响的时钟

“我立刻想到，这是一个非常美妙的实验，应该被写进量子力学教科书。奥尔加Smirnova他领导着德国柏林马克斯·伯恩研究所的强场理论小组。“在我看来，这项工作毫无疑问地证明，当一个具有内部自由度的量子系统——一个内部时钟——接近量子势垒并穿过它时，时钟会告诉你，当隧穿发生时，它确实在滴答作响。”

科妮莉亚霍夫曼他在英国伦敦大学学院研究阿秒强场电子动力学，他说建造拉莫尔时钟量子模拟器的想法“非常有趣”。她补充说，虽然这项研究不一定能解决围绕阿托钟测量的争议，但“拉莫尔钟预测了一定的(隧道)时间，这与阿托钟的测量结果相当”。

斯米尔诺娃说，即使有拉莫尔时钟，也有一个陷阱。“如果相同的量子系统接近对称势垒，而不是隧穿，而是从中反射，那么内部时钟将测量相同的时间，正如[该研究的合著者]在理论上所证明的那样。”Aephraim斯坦伯格早些时候。

斯米尔诺娃建议说:“下一步是将穿越隧道的时间分解为进入屏障的时间、完全进入屏障的时间和从另一边出来的时间。”“根据斯坦伯格早期的理论研究，大部分时间——如果不是全部的话——都花在了入口处和出口处。”

霍夫曼解释说，除了满足好奇心之外，更好地理解量子现象还有实际意义。涉及隧穿的过程包括半导体中的电子-空穴对运动、人工光合作用和激光诱导的电子衍射(用于解析蛋白质结构)。