Pada tingkat subatomik, partikel dapat terbang melalui rintangan yang tampaknya tidak bisa dilewati seperti hantu.
Selama beberapa dekade, fisikawan telah bertanya-tanya berapa lama yang disebut tunneling kuantum ini. Sekarang, setelah penyelidikan tiga tahun, tim internasional fisikawan teoretis punya jawaban. Mereka mengukur elektron tunneling dari atom hidrogen dan menemukan bahwa jalurnya praktis instan, menurut sebuah studi baru.
Partikel dapat melewati benda padat bukan karena mereka sangat kecil (meskipun mereka), tetapi karena aturan fisika berbeda pada tingkat kuantum.
Bayangkan sebuah bola menggelinding menuruni lembah menuju lereng setinggi Gunung Everest; tanpa dorongan dari jetpack, bola tidak akan pernah memiliki energi yang cukup untuk membersihkan bukit. Tetapi partikel subatom tidak perlu pergi ke atas bukit untuk sampai ke sisi lain.
Partikel juga gelombang, yang memanjang tak terbatas di ruang angkasa. Menurut apa yang disebut persamaan gelombang, ini berarti bahwa sebuah partikel dapat ditemukan pada posisi apa pun pada gelombang.
Sekarang bayangkan gelombang menghantam penghalang; ia terus berlanjut tetapi kehilangan energi, dan amplitudonya (ketinggian puncak) menurun ke bawah. Tetapi jika hambatannya cukup tipis, amplitudo gelombang tidak membusuk ke nol. Selama masih ada energi yang tersisa di ombak yang rata, ada kemungkinan - meskipun kecil - sebuah partikel dapat terbang melalui bukit dan keluar dari sisi lainnya.
Melakukan percobaan yang menangkap kegiatan sulit dipahami ini pada tingkat kuantum adalah "sangat menantang" untuk sedikitnya, rekan penulis studi Robert Sang, seorang ahli fisika kuantum eksperimental dan seorang profesor di Griffith University di Australia, mengatakan kepada Live Science melalui email.
"Anda perlu menggabungkan sistem laser yang sangat rumit, mikroskop reaksi, dan sistem berkas atom hidrogen untuk bekerja secara bersamaan," kata Sang.
Pengaturan mereka menetapkan tiga titik referensi penting: awal interaksi mereka dengan atom; waktu dimana elektron yang dibebaskan diharapkan muncul dari balik penghalang; dan waktu ketika itu benar-benar muncul, kata Sang dalam sebuah video.
Menjaga waktu dengan cahaya
Para peneliti menggunakan perangkat ketepatan waktu optik yang disebut attoclock - ultrashort, pulsa cahaya terpolarisasi yang mampu mengukur pergerakan elektron ke attosecond, atau sepersejuta milyar per detik. Attoclock mereka memandikan atom hidrogen dalam cahaya dengan kecepatan 1000 pulsa per detik, yang mengionisasi atom sehingga elektron mereka dapat lolos melalui penghalang, para peneliti melaporkan.
Sebuah mikroskop reaksi di sisi lain dari penghalang mengukur momentum elektron ketika itu muncul. Mikroskop reaksi mendeteksi tingkat energi dalam partikel bermuatan setelah berinteraksi dengan pulsa cahaya dari attoclock, "dan dari itu kita dapat menyimpulkan waktu yang dibutuhkan untuk melewati penghalang," kata Sang kepada Live Science.
"Ketepatan yang bisa kita ukur adalah 1,8 attoseconds," kata Sang. "Kami dapat menyimpulkan bahwa tunneling harus kurang dari 1,8 attoseconds" - langsung dekat, tambahnya.
Meskipun sistem pengukurannya kompleks, atom yang digunakan dalam eksperimen para peneliti sederhana - atom hidrogen, yang hanya mengandung satu elektron. Eksperimen sebelumnya yang dilakukan oleh peneliti lain menggunakan atom yang mengandung dua atau lebih elektron, seperti helium, argon dan kripton, menurut penelitian.
Karena elektron yang dibebaskan dapat berinteraksi satu sama lain, interaksi tersebut dapat memengaruhi waktu tunneling partikel. Itu bisa menjelaskan mengapa perkiraan studi sebelumnya lebih lama daripada dalam studi baru, dan oleh puluhan attosecond, Sang menjelaskan. Kesederhanaan struktur atom hidrogen memungkinkan para peneliti untuk mengkalibrasi eksperimen mereka dengan akurasi yang di luar jangkauan dalam upaya sebelumnya, menciptakan tolok ukur penting terhadap mana partikel tunneling lainnya sekarang dapat diukur, para peneliti melaporkan.
Temuan ini dipublikasikan secara online 18 Maret di jurnal Nature.
