I ett fantastiskt fenomen inom kvantfysik som kallas tunnling, verkar partiklar röra sig snabbare än ljusets hastighet. Men fysiker från Darmstadt menar att tiden det tar för partiklar att tunneleras har uppmätts felaktigt. De föreslår en ny metod för att stoppa kvantpartiklarnas hastighet.

I klassisk fysik finns det hårda regler som inte går att kringgå. Till exempel, om en rullande boll inte har tillräckligt med energi, kommer den inte att ta sig över en kulle, utan kommer att vända innan den når toppen och vända sin riktning.

Inom kvantfysiken är denna princip inte fullt så strikt:en partikel kan passera en barriär, även om den inte har tillräckligt med energi för att gå över den. Det fungerar som om det glider genom en tunnel, varför fenomenet också är känt som "kvanttunnel". Det som låter magiskt har konkreta tekniska tillämpningar, till exempel i flashminnen.

Tidigare väckte experiment där partiklar tunnlade snabbare än ljus en del uppmärksamhet. Trots allt förbjuder Einsteins relativitetsteori hastigheter som är snabbare än ljuset. Frågan är därför om tiden som krävs för tunneldrivning "stoppades" korrekt i dessa experiment. Fysikerna Patrik Schach och Enno Giese från TU Darmstadt följer ett nytt tillvägagångssätt för att definiera "tid" för en tunnlingspartikel.

De har nu föreslagit en ny metod för att mäta denna tid. I sitt experiment mäter de det på ett sätt som de tror är bättre lämpat för tunneldriftens kvanta natur. De har publicerat designen av sitt experiment i Science Advances .

Enligt kvantfysiken har små partiklar som atomer eller lätta partiklar en dubbel natur. Beroende på experimentet beter de sig som partiklar eller som vågor.

Kvanttunneling framhäver partiklarnas vågnatur. Ett "vågpaket" rullar mot barriären, jämförbart med en våg av vatten. Vågens höjd indikerar sannolikheten med vilken partikeln skulle materialiseras på denna plats om dess position mättes.

Om vågpaketet träffar en energibarriär reflekteras en del av det. En liten del penetrerar dock barriären och det finns en liten sannolikhet att partikeln dyker upp på andra sidan barriären.

Tidigare experiment har observerat att en ljus partikel har färdats en längre sträcka efter tunnling än en som hade en fri väg. Den skulle därför ha färdats snabbare än ljuset. Forskarna var dock tvungna att definiera platsen för partikeln efter dess passage. De valde den högsta punkten på dess vågpaket.

"Men partikeln följer inte en väg i klassisk mening", invänder Enno Giese. Det är omöjligt att säga exakt var partikeln befinner sig vid en viss tidpunkt. Detta gör det svårt att uttala sig om hur lång tid det tar att ta sig från A till B.

Schach och Giese, å andra sidan, vägleds av ett citat från Albert Einstein:"Time is what you read off a clock." De föreslår att man använder själva tunnelpartikeln som en klocka. En andra partikel som inte tunnlar fungerar som referens. Genom att jämföra dessa två naturliga klockor är det möjligt att avgöra om tiden går långsammare, snabbare eller lika snabbt under kvanttunnelering.

Partiklarnas vågnatur underlättar detta tillvägagångssätt. Vågornas oscillation liknar svängningen hos en klocka. Specifikt föreslår Schach och Giese att man använder atomer som klockor. Atomernas energinivåer svänger vid vissa frekvenser. Efter att ha adresserat en atom med en laserpuls, oscillerar dess nivåer initialt synkroniserat – atomklockan startas.

Under tunnling skiftar dock rytmen något. En andra laserpuls får atomens två inre vågor att störa. Att upptäcka störningen gör det möjligt att mäta hur långt från varandra de två vågorna i energinivåerna är, vilket i sin tur är ett exakt mått på förfluten tid.

En andra atom, som inte tunnlar, tjänar som en referens för att mäta tidsskillnaden mellan tunnling och icke-tunnel. Beräkningar av de två fysikerna tyder på att tunnelpartikeln kommer att visa en något fördröjd tid. "Klockan som tunnlas är något äldre än den andra", säger Schach. Detta verkar motsäga experiment som tillskrev superluminal hastighet till tunnling.

Testet kan i princip genomföras med dagens teknik, säger Schach, men det är en stor utmaning för experimenterande. Detta beror på att tidsskillnaden som ska mätas bara är runt 10 ^-26 sekunder – extremt kort tid. Det hjälper att använda moln av atomer som klockor istället för enskilda atomer, förklarar fysikern. Det är också möjligt att förstärka effekten, till exempel genom att artificiellt öka klockfrekvenserna.

"Vi diskuterar för närvarande den här idén med experimentella kollegor och är i kontakt med våra projektpartners", tillägger Giese. Det är mycket möjligt att ett team snart kommer att besluta sig för att genomföra detta spännande experiment.