Nella fisica classica esistono regole ferree che non possono essere aggirate. Ad esempio, se una palla che rotola non ha abbastanza energia, non supererà una collina, ma girerà su se stessa prima di raggiungere la cima e invertirà la sua direzione.

Nella fisica quantistica, questo principio non è così rigido:una particella può oltrepassare una barriera, anche se non ha abbastanza energia per superarla. Agisce come se scivolasse attraverso un tunnel, motivo per cui il fenomeno è noto anche come "tunnel quantistico". Ciò che sembra magico ha applicazioni tecniche tangibili, ad esempio, nelle unità di memoria flash.

In passato, gli esperimenti in cui le particelle si muovevano più velocemente della luce hanno attirato una certa attenzione. Dopotutto, la teoria della relatività di Einstein vieta velocità superiori a quelle della luce. La questione è quindi se in questi esperimenti il ​​tempo necessario per il tunneling sia stato "fermato" correttamente. I fisici Patrik Schach ed Enno Giese della TU Darmstadt seguono un nuovo approccio per definire il "tempo" per una particella tunneling.

Ora hanno proposto un nuovo metodo per misurare questo tempo. Nel loro esperimento, lo misurano in un modo che ritengono sia più adatto alla natura quantistica del tunneling. Hanno pubblicato il progetto del loro esperimento su Science Advances .

Secondo la fisica quantistica, le piccole particelle come gli atomi o le particelle leggere hanno una duplice natura. A seconda dell'esperimento, si comportano come particelle o come onde.

Il tunneling quantistico evidenzia la natura ondulatoria delle particelle. Un "pacchetto d'onde" rotola verso la barriera, paragonabile ad un'ondata d'acqua. L'altezza dell'onda indica la probabilità con cui la particella si materializzerebbe in questo punto se la sua posizione fosse misurata.

Se il pacchetto d'onde incontra una barriera energetica, parte di esso viene riflesso. Tuttavia, una piccola porzione penetra nella barriera e c'è una piccola probabilità che la particella appaia dall'altra parte della barriera.

Precedenti esperimenti avevano osservato che una particella di luce ha percorso una distanza maggiore dopo il tunneling rispetto a una che aveva un percorso libero. Avrebbe quindi viaggiato più velocemente della luce. Tuttavia, i ricercatori hanno dovuto definire la posizione della particella dopo il suo passaggio. Hanno scelto il punto più alto del suo pacchetto d'onda.

"Ma la particella non segue un percorso in senso classico", obietta Enno Giese. È impossibile dire esattamente dove si trova la particella in un determinato momento. Ciò rende difficile fare dichiarazioni sul tempo necessario per andare da A a B.

Schach e Giese, invece, si lasciano guidare da una citazione di Albert Einstein:"Il tempo è ciò che leggi sull'orologio". Suggeriscono di utilizzare la particella stessa come tunnel. Una seconda particella che non effettua tunnel serve da riferimento. Confrontando questi due orologi naturali, è possibile determinare se il tempo scorre più lentamente, più velocemente o ugualmente velocemente durante il tunneling quantistico.

La natura ondulatoria delle particelle facilita questo approccio. L'oscillazione delle onde è simile all'oscillazione di un orologio. Nello specifico, Schach e Giese propongono di utilizzare gli atomi come orologi. I livelli energetici degli atomi oscillano a determinate frequenze. Dopo aver indirizzato un atomo con un impulso laser, i suoi livelli oscillano inizialmente in modo sincronizzato:viene avviato l'orologio atomico.

Durante il tunneling, tuttavia, il ritmo cambia leggermente. Un secondo impulso laser fa sì che le due onde interne dell'atomo interferiscano. Il rilevamento dell'interferenza consente di misurare la distanza tra le due onde dei livelli energetici, che a sua volta è una misura precisa del tempo trascorso.

Un secondo atomo, che non esegue il tunneling, serve come riferimento per misurare la differenza di tempo tra il tunneling e il non tunneling. I calcoli dei due fisici suggeriscono che la particella che effettua il tunneling mostrerà un tempo leggermente ritardato. "L'orologio scavato nel tunnel è leggermente più vecchio dell'altro", afferma Schach. Ciò sembra contraddire gli esperimenti che attribuivano la velocità superluminale al tunneling.

In linea di principio il test può essere eseguito con la tecnologia odierna, afferma Schach, ma rappresenta una grande sfida per gli sperimentatori. Questo perché la differenza oraria da misurare è solo di circa 10 ^-26 secondi:un tempo estremamente breve. È utile utilizzare come orologi nuvole di atomi anziché singoli atomi, spiega il fisico. È anche possibile amplificare l'effetto, ad esempio aumentando artificialmente le frequenze del clock.

"Stiamo attualmente discutendo questa idea con colleghi sperimentali e siamo in contatto con i nostri partner di progetto", aggiunge Giese. È del tutto possibile che presto un team decida di realizzare questo entusiasmante esperimento.