Was? Hat jemand die „Wandlauftechnik“ gesehen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Haben Sie schon von der Kunst gehört, durch Wände zu gehen? Es handelt sich um eine Art Wandpasstechnik, bei der man mit „Chua Chua Chua“ hin und her geht. Obwohl Menschen dazu nicht in der Lage sind, können Quantencomputer dies. Vor kurzem haben Wissenschaftler diese Quanten-„Wandlauftechnik“ „gesehen“.

Quantum: Jemand hat gesagt, ich kann durch Wände gehen? Er hat recht.

Wenn Sie in der makroskopischen Welt eine Wand durchbrechen möchten, müssen Sie und die Wand zuerst durchbrochen werden. In der mikroskopischen Welt ist jedoch alles anders und die Theorien der klassischen Physik sind hier völlig unanwendbar. Quantentunneln bezieht sich auf die Tatsache, dass mikroskopische Teilchen wie Elektronen oder Atome scheinbar in der Lage sind, einige scheinbar unüberwindbare Hindernisse zu durchdringen, wie etwa potenzielle Barrieren, deren Überwindung eine höhere Energie erfordert (was einfach als Energieunterschied verstanden werden kann), und die andere Seite des Hindernisses zu erreichen.

Überblick über die klassische Physik und den Quantentunnelenergietransfer

(Fotoquelle: Veer Gallery)

In der klassischen Physiktheorie ist es für einen Menschen nicht möglich, auf die andere Seite einer hohen Mauer zu gelangen, wenn er nicht über genügend Energie verfügt. In der Quantenwelt besteht für diese Person jedoch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, direkt durch die Wand zu gehen, als würde sie durch einen virtuellen Tunnel gehen, ohne die Höhe der Wand tatsächlich zu überwinden.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Was sind die Ursachen für die Unterschiede zwischen Phänomenen der klassischen Physik und der Quantenwelt? Tatsächlich sind mikroskopische Teilchen in der Quantenwelt keine präzisen Punkte mehr, die in der klassischen Physik beschrieben werden, sondern wellenartige Gebilde, deren Bewegungen durch Wellenfunktionen beschrieben werden können (keine Sorge, Wellenfunktionen werden später erklärt).

Die Verteilung dieser mikroskopischen Partikel im Raum ist probabilistisch; Sie können an mehreren Orten existieren und auch Hindernisse durchqueren und auf der anderen Seite erscheinen. Wenn diese mikroskopischen Partikel auf eine Potentialbarriere treffen, ändert sich daher ihre eigene Wellenfunktion entsprechend und diese Änderung führt dazu, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Partikel auf der anderen Seite der Potentialbarriere existieren, ungleich Null wird. Obwohl diese Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, ist sie nicht Null, sodass das Teilchen die Möglichkeit hat, die Potenzialbarriere oder den Potenzialpeak zu durchdringen, was zu einem Tunneleffekt führt.

Ich bin sowohl ein Teilchen als auch eine Welle. Ich bin so magisch.

Quantentunneln ist ein Phänomen, das auf der Welle-Teilchen-Dualität basiert. Kommt Ihnen der Welle-Teilchen-Dualismus bekannt vor?

Dieses Konzept lässt sich bis ins frühe 20. Jahrhundert zurückverfolgen, als Physiker begannen, die Eigenschaften mikroskopischer Teilchen (wie Elektronen, Photonen usw.) zu untersuchen und feststellten, dass ihr Verhalten völlig von der vorherrschenden Ansicht der klassischen Physik abwich, dass „Licht eine Welle“ sei. Im Jahr 1905 schlug Einstein das Konzept der Photonen vor, da er davon ausging, dass Licht aus Teilchen besteht, und bestätigte damit, dass Licht Teilcheneigenschaften besitzt. In nachfolgenden Experimenten entdeckten Wissenschaftler, dass Licht nicht nur Teilcheneigenschaften hat, sondern auch Welleneigenschaften aufweist. Dies ist die Welle-Teilchen-Dualität des Lichts.

Im Jahr 1924 stellte der französische Physiker Louis de Broglie eine neue Hypothese auf: Auch mikroskopisch kleine Teilchen haben Welleneigenschaften. Basierend auf Einsteins Konzept der Photonen erweiterte er die Welle-Teilchen-Dualität auf andere mikroskopische Teilchen. De Broglies Hypothese wurde auch durch Experimente bestätigt, die die grundlegenden Gesetze der mikroskopischen Quantenwelt enthüllten – mikroskopische Teilchen haben sowohl die Eigenschaften von Wellen als auch von Teilchen, d. h. es herrscht Welle-Teilchen-Dualität.

Schematische Darstellung des Welle-Teilchen-Dualismus

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Daher ist der Welle-Teilchen-Dualismus zu einem wichtigen physikalischen Konzept in der Quantenmechanik geworden. Die Entstehung des Konzepts der Welle-Teilchen-Dualität hat das Verständnis der Menschen von der Natur von Materie und Energie völlig verändert und ist von großer Bedeutung für die Erforschung der Natur der Quantenwelt und die Entwicklung der Quantentechnologie.

Diese Funktion hat keine Parität, kann aber hin und her wechseln

Da Teilchen in der mikroskopischen Welt den Welle-Teilchen-Dualismus aufweisen, kann der Bewegungszustand von Teilchen nicht so vollständig bestimmt werden wie in der makroskopischen Welt. Dies erfordert die Einführung eines völlig neuen physikalischen Konzepts zur Beschreibung des Bewegungszustands von Teilchen und zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit ihrer Existenz im Raum. Dieses physikalische Konzept, das die Welle-Teilchen-Dualität mikroskopischer Teilchen tiefgreifend enthüllen kann, ist die Wellenfunktion.

Leuchtende Quantenwellenfunktionen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Die Wellenfunktion ist ein Kernkonzept der Quantenmechanik und wird normalerweise durch das Symbol ψ dargestellt. Durch die Einführung der Wellenfunktion ψ können wir nicht nur die Wellennatur des Teilchens beschreiben, sondern auch die mögliche Position und den möglichen Zustand des Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnen.

Daher ist Quantentunneln ein quantenmechanisches Phänomen, das auf Wellenfunktionen basiert, und der Mechanismus des Quantentunnelns kann durch die Interpretation von Wellenfunktionen verstanden werden: Wenn ein Teilchen auf eine Potentialbarriere höherer Energie trifft, ändert sich die das Teilchen beschreibende Wellenfunktion, und diese Änderung der Wellenfunktion bestimmt, ob das Teilchen die Potentialbarriere passieren kann.

Wenn die Wellenfunktion mit der Potenzialbarriere interagiert, tritt ein Interferenzeffekt auf und die Wellenfunktion wird in zwei Teile aufgeteilt – die reflektierte Welle und die transmittierte Welle. Zu diesem Zeitpunkt stellt die reflektierte Welle den Teil des Partikels dar, der von der Potentialbarriere zurückreflektiert wird, und die transmittierte Welle stellt den Teil des Partikels dar, der die Potentialbarriere durchdringt.

Da es sich um eine übertragene Welle handelt, bedeutet dies, dass Quantentunneln erreicht werden kann.

Wie dick muss die Wand sein, wenn man das Durchwandern üben möchte?

Warum verhalten sich Objekte auf makroskopischer Ebene anders als auf mikroskopischer Ebene? Dies hängt mit der Energieskala und der Raum-Zeit-Skala des Raums zusammen, in dem sich die Materie befindet.

Um jedem ein anschaulicheres Verständnis der mikroskopischen Welt zu vermitteln, in der Quantentunneln auftritt, werden wir das Beispiel eines einzelnen Elektrons verwenden, das eine Potenzialbarriere mit höherer Energie durchdringt, um die Energieskala und die Raum-Zeit-Skala des Quantentunnelns zu diskutieren.

Die Energieskala des Quantentunnelns hängt von den spezifischen Bedingungen des untersuchten Systems ab und steht im Allgemeinen mit der Energiehöhe, Breite und Teilchenmasse der Potenzialbarriere in Zusammenhang. Je höher die Teilchenenergie, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts und desto höher ist die potenzielle Barriere, die das Teilchen durchdringen kann. Für ein Elektron kann die typische Energieskala beim Durchqueren einer Potenzialbarriere mit einer Höhe von 1 Elektronenvolt und einer Breite von 1 Nanometer mehrere bis zehn Elektronenvolt erreichen.

Das Elektronenvolt ist hierbei eine sehr kleine Energieeinheit. Ein Elektronenvolt entspricht ungefähr 1,6×10-19 Joule. Wenn wir einen Apfel aufheben, müssen wir etwa 1 bis 2 Joule Energie verbrauchen, was 100 Billionen Elektronenvolt Energie entspricht. Daher ist die Energieskala, bei der Quantentunneln auftritt, sehr, sehr klein.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Darüber hinaus sind auch die Zeit- und Raumskalen, auf denen Quantentunneln auftritt, extrem klein und hängen hauptsächlich von der Breite der Potenzialbarriere ab. **Normalerweise nimmt die Wahrscheinlichkeit des Quantentunnelns exponentiell ab, wenn die Barrierebreite zunimmt.

Beim Elektronentunneln beispielsweise liegt die räumliche Skala üblicherweise im Nanometerbereich und die entsprechende Zeitskala im Pikosekundenbereich. Bei einem Elektron mit einer Energie von 1 Elektronenvolt beträgt seine Tunneldistanz durch eine Potentialbarriere mit einer Höhe von 1 Elektronenvolt und einer Breite von 1 Nanometer etwa 0,1 Nanometer, und die entsprechende Tunnelzeit beträgt etwa 0,1 bis 1 Pikosekunde. Für ein Elektron mit einer Energie von 10 Elektronenvolt beträgt die Tunneldistanz durch dieselbe Potentialbarriere etwa 1 Nanometer und die entsprechende Tunnelzeit etwa 0,05 Pikosekunden.

Bei den Nanometern und Pikosekunden handelt es sich hierbei um sehr kleine Längen- und Zeiteinheiten. Genauer gesagt entspricht 1 Nanometer 10-9 Metern. Normalerweise beträgt der Durchmesser eines Haares etwa 70.000 Nanometer (0,07 mm) und der Durchmesser eines Sandkorns etwa 900.000 Nanometer (0,9 mm). 1 Pikosekunde entspricht 10 hoch -12 Sekunden. Beispielsweise beträgt die Zeit, die ein Finger zum Tippen auf die Tastatur benötigt, etwa 0,1 Sekunden, was 100 Milliarden Pikosekunden entspricht.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Energie, die wir im Alltag zum mühelosen Anheben eines Apfels verbrauchen, oder die Distanz, die so dünn ist wie ein Haar, oder der kurze Moment beim Tippen auf der Tastatur … all dies ist zu groß für die mikroskopische Welt, und der Maßstab, auf dem Quantentunneln auftritt, ist viel kleiner als diese.

Quantentunneln, jemand hat es "gesehen"

Wie bereits erwähnt, manifestiert sich das Phänomen des Quantentunnelns nur auf mikroskopischer Ebene. Auf makroskopischer Ebene ist der Effekt des Quantentunnelns sehr schwach. Um das Quantentunnelphänomen im Experiment zu beobachten, ist es daher notwendig, hochpräzise und hochempfindliche experimentelle Instrumente zu verwenden. Gleichzeitig müssen die winzigen Veränderungen im System im Experiment sehr genau gemessen und kontrolliert werden. Dies ist für Menschen sehr schwierig.

Doch vor nicht allzu langer Zeit beobachteten Physiker der Universität Innsbruck in Österreich diesen Quantentunneleffekt erstmals in einem chemischen Reaktionsexperiment.

Das Forschungsteam verwendete zunächst eine Ionenfalle, um eine bestimmte Anzahl Deuteriumionen einzufangen, kühlte diese ausreichend ab und füllte dann die gesamte Ionenfalle mit Wasserstoff. Aufgrund der extrem niedrigen Umgebungstemperatur können Deuteriumionen ohne ausreichende Energie die Energiebarriere chemischer Reaktionen unter klassischen Bedingungen nicht überwinden und können daher nicht mit Wasserstoff reagieren.

Den theoretischen Berechnungsergebnissen des Quantentunneleffekts zufolge weist das Deuteriumion zu diesem Zeitpunkt jedoch einen Welle-Teilchen-Dualismus auf. Obwohl die Wahrscheinlichkeit des Quantentunnelns sehr gering ist, besteht für die Wellenfunktion des Deuteriumions dennoch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, die Energiebarriere zu durchbrechen und mit Wasserstoff zu reagieren.

Screenshot des experimentellen Papiers

(Bildquelle: Offizielle Website von Nature)

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen auch, dass es möglich ist, durch Messung der Anzahl der in einem bestimmten Zeitraum gebildeten Reaktionsprodukte auf die Häufigkeit einer Reaktion zu schließen. Mit anderen Worten: Mit diesem einfachen chemischen Reaktionsexperiment konnte das in der Quantenmechanik schwer zu beobachtende Tunneleffektphänomen erfolgreich bestätigt werden.

Quantentunneln findet in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise bei Tunneldioden in Halbleiterbauelementen und Rastertunnelmikroskopen. Mithilfe von Quantentunneldioden können hochpräzise elektronische Geräte mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden. Durch das Tunneln von Elektronen in Rastertunnelmikroskopen können hochauflösende Bilder erzeugt und so detaillierte Informationen über die Probenoberfläche gewonnen werden.

Elektronenmikroskopie im Nanobereich

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Diese neue Entdeckung spielt eine wichtige Rolle für das menschliche Verständnis der Prinzipien des Quantentunnelns. In Zukunft werden wir möglicherweise mehr Anwendungen im Zusammenhang mit dem Quantentunneleffekt haben.

Abschluss

Das wunderbare mikroskopische Phänomen des Quantentunnelns realisiert die „Wandlauftechnik“ im mikroskopischen Maßstab. Die Ergebnisse der Forschung zum Quantentunneln haben nicht nur die Entwicklung der grundlegenden Theorie der Quantenmechanik vorangetrieben und uns geholfen, die Funktionsgesetze der mikroskopischen Welt besser zu verstehen, sondern sie haben auch die Entwicklung von Hightech-Bereichen wie Materialwissenschaften, Chemie und Biologie gefördert und wichtige Beiträge zum Fortschritt und zur Entwicklung der menschlichen Gesellschaft geleistet. Ich bin überzeugt, dass Wissenschaftler in Zukunft das Phänomen des Quantentunnelns noch genauer „beobachten“ werden, sodass wir uns im Zweifelsfall der Quantenmechanik zuwenden können.

Quellen:

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05727-z

Herausgeber: Guo Yaxin