Effetto tunnel quantistico su scale dell’attosecondo

Un gruppo internazionale di scienziati che lavorano nel campo della fisica “ultra veloce” ritiene di aver risolto un mistero della meccanica quantistica. I risultati di questo studio, pubblicati su Nature Physics, suggeriscono che l’effetto tunnel quantistico è in realtà un processo istantaneo. 

Esempio dell’effetto tunnel. Evoluzione della funzione d’onda di un elettrone attraverso una barriera di potenziale.

L’effetto tunnel è un effetto quanto-meccanico che permette una transizione ad uno stato impedito dalla meccanica classica. Nella meccanica classica, la legge di conservazione dell’energia impone che una particella non possa superare un ostacolo (barriera) se non ha l’energia sufficiente per farlo. Ciò corrisponde al fatto intuitivo che, per far risalire un dislivello ad un corpo, è necessario imprimergli una certa velocità, ovvero cedergli dell’energia a sufficienza per completare la salita. La meccanica quantistica, invece, prevede che una particella abbia una probabilità diversa da zero di attraversare spontaneamente una barriera arbitrariamente alta di energia potenziale.

Lo studio ha permesso di esplorare tempi scala molto piccoli, stiamo parlando di esperimenti realizzati su scale temporali dell’attosecondo (10^-18 secondi), un campo di ricerca sviluppato nel corso degli ultimi 15 anni. Su scale estremamente piccole, la fisica quantistica mostra che le particelle come gli elettroni hanno una natura ondulatoria e la loro posizione non è ben definita. Questo vuol dire che, in maniera del tutto occasionale, le particelle possono attraversare delle barriere di potenziale apparentemente impenetrabili secondo un fenomeno noto, appunto, come effetto tunnel quantistico. Questo particolare e bizzarro fenomeno della natura gioca un ruolo importante in diversi processi, come la fusione nucleare all’interno del Sole, il microscopio a effetto tunnel e la memoria flash dei computer. Fino ad oggi, non è stato possibile spiegare in maniera adeguata alcuni fenomeni fisici che avvengono su scale dell’attosecondo, come ad esempio il ritardo temporale che si ha quando un fotone ionizza un atomo. Su queste scale temporali, si riteneva che il tempo impiegato da un elettrone per emergere da un atomo a seguito di effetto tunnel fosse significativo. Ma la matematica dice invece che questo tempo è immaginario, cioè è un numero complesso, il che implica che il processo deve essere istantaneo. Da qui si ha un interessante paradosso in quanto la velocità dell’elettrone durante l’effetto tunnel potrebbe diventare superiore a quella della luce. Tuttavia, ciò non contraddice la relatività speciale dato che la velocità della particella che subisce l’effetto tunnel è immaginaria. Insomma, si tratta di un passo importante che permetterà di calibrare in maniera più accurata i prossimi esperimenti che saranno realizzati su queste scale temporali estremamente piccole. Infine, questi risultati preliminari potrebbero portare alla costruzione di apparati elettronici più piccoli e più veloci, dove l’effetto tunnel quantistico rappresenta una componente essenziale.

ANU: Physicists solve quantum tunneling mystery

Nature Physics: Interpreting attoclock measurements of tunnelling times

arXiv: Interpreting Attoclock Measurements of Tunnelling Times

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