Quando hai a che fare con cose su scala quantistica, dove le cose sono molto piccole, il mondo è piuttosto confuso e bizzarro rispetto alle nostre esperienze quotidiane.

Per esempio, normalmente non possiamo camminare attraverso muri solidi. Ma su scala quantistica, quando una particella incontra una barriera apparentemente insormontabile, a volte può passare dall'altra parte, un processo noto come tunneling quantistico.

Ma quanto velocemente una particella potesse scavare un tunnel attraverso una barriera era sempre un enigma.

Nel lavoro pubblicato oggi su Nature abbiamo risolto parte del problema.

Perché è importante? È una svolta che potrebbe avere un impatto sulle tecnologie future che vediamo nelle nostre case, al lavoro o altrove.

Molte delle tecnologie odierne, come i semiconduttori, lo schermo LED del tuo smartphone, o laser – si basano sulla nostra comprensione di come funzionano le cose nel mondo quantistico.

Quindi più possiamo imparare, più possiamo svilupparci.

Torna al tunnel

Per le particelle quantistiche, come gli elettroni, quando diciamo che possono scavalcare le barriere, non ci riferiamo a ostacoli fisici, ma barriere di energia.

Il tunneling è possibile a causa della natura ondulatoria dell'elettrone. La meccanica quantistica assegna la natura ondulatoria ad ogni particella, e quindi c'è sempre una probabilità finita che l'onda si propaghi attraverso le barriere, proprio come il suono attraversa i muri.

Può sembrare controintuitivo, ma questo è ciò che viene sfruttato in tecnologie come i microscopi a scansione tunnel, che consentono agli scienziati di creare immagini con risoluzione atomica. Questo si osserva naturalmente anche nella fusione nucleare, e nei processi biologici come la fotosintesi.

Sebbene il fenomeno del tunneling quantistico sia ben studiato e utilizzato, i fisici non ne avevano ancora una completa comprensione, soprattutto per quanto riguarda la sua dinamica.

Se potessimo sfruttare le dinamiche del tunneling, ad esempio, usarlo per trasportare più informazioni:potrebbe darci un nuovo punto di vista sulle future tecnologie quantistiche.

Un test di velocità in galleria

Il primo passo verso questo obiettivo è misurare la velocità del processo di tunneling. Non è un'impresa semplice, poiché le scale temporali coinvolte nella misurazione sono estremamente ridotte.

Per barriere energetiche delle dimensioni di pochi miliardesimi di metro, come nel nostro esperimento, alcuni fisici avevano calcolato che il processo di tunneling avrebbe richiesto circa un centinaio di attosecondi (1 attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo).

Per mettere le cose in prospettiva, se un attosecondo viene allungato a un secondo, allora un secondo è uguale all'età dell'universo.

I tempi stimati sono così estremamente ridotti che in precedenza erano trattati come praticamente istantanei. Quindi per il nostro esperimento avevamo bisogno di un orologio in grado di cronometrare questi eventi con enorme accuratezza e precisione.

I progressi tecnologici nei sistemi laser ultraveloci ci hanno permesso di implementare un tale orologio presso l'Australian Attosecond Science Facility, Centro per la dinamica quantistica, alla Griffith University.

L'orologio nell'esperimento non è meccanico o elettrico, ma è il vettore del campo elettrico rotante di un impulso laser ultraveloce.

La luce è solo una radiazione elettromagnetica composta da campi elettrici e magnetici che variano rapidamente. Abbiamo usato questo campo in rapida evoluzione per indurre il tunneling nell'idrogeno atomico e anche come cronometro per misurare quando finisce.

Quanto velocemente?

La scelta di utilizzare l'idrogeno atomico (che è semplicemente una coppia legata di un elettrone e un protone) evita le complicazioni che derivano da altri atomi, rendendo più facile confrontare e interpretare i risultati in modo univoco.

Il tempo di tunneling misurato è risultato non superiore a 1,8 attosecondi, molto più piccolo di quanto alcune teorie avessero previsto. Questa misurazione richiede una seria riconsiderazione della nostra comprensione delle dinamiche di tunneling.

Varie teorie stimavano un intervallo di tempi di tunneling - da zero a centinaia di attosecondi - e non c'era consenso tra i fisici su quale singola stima teorica fosse corretta.

Una ragione fondamentale per i disaccordi risiede nel concetto stesso di tempo nella meccanica quantistica. A causa delle incertezze quantistiche, non ci può essere certezza assoluta nel momento in cui una particella entra o esce dalla barriera.

Ma esperimenti come il nostro, utilizzando misurazioni precise su sistemi semplici, potrebbe guidarci nel perfezionare la nostra comprensione di questi tempi

Le prossime tecnologie

I salti quantici nel mondo tecnologico sono spesso radicati nella ricerca della scienza fondamentale.

Le future tecnologie quantistiche che incorporano molte delle caratteristiche quantistiche, come la sovrapposizione e l'entanglement, porteranno a quella che i tecnologi chiamano la "seconda rivoluzione quantistica".

Comprendendo appieno la dinamica quantistica dell'evento di tunneling atomico più semplice possibile - con un singolo protone e un singolo elettrone - abbiamo dimostrato che è possibile fare affidamento su alcuni tipi di teorie per dare la risposta giusta, dove altri tipi di teorie falliscono.

Questo ci dà fiducia su quali teorie applicare ad altri, sistemi più complicati.

Le misurazioni alla scala degli attosecondi non solo aggiungono una dimensione extra per le future tecnologie quantistiche, ma possono anche aiutare fondamentalmente a comprendere l'elefante della stanza quantistica:cos'è tempo ?

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.