[논문 리뷰] Tunneling takes less time when it's less probable

David Spierings, Aephraim M. Steinberg|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 $^{87}$Rb 원자를 광학 터널 장벽을 통해 터널링하는 동안의 터널링 시간을 측정하기 위해 라모르 시계 기법을 사용하였으며, 높은 장벽일수록 더 짧은 시간 동안 터널링 입자가 존재하고, 에너지가 낮을수록 더 빠르게 터널링된다는 것을 입증하였다. 주요 발견은 최저 입사 에너지에서 90퍼센트 이상의 투과한 원자들이 평균적으로 장벽 내부에 0.59(2) ms 머물렀으며, 이는 피크 장벽 에너지에서보다 0.11(3) ms 빠르고, 23퍼센트 낮은 에너지에서보다 0.21(3) ms 빠르다는 것이다.

ABSTRACT

How much time does a tunneling particle spend in a barrier? A Larmor clock, one proposal to answer this question, measures the interaction between the particle and the barrier region using an auxiliary degree of freedom of the particle to clock the dwell time inside the barrier. We report on precise Larmor time measurements of an ultra-cold gas of $^{87}$Rb atoms tunneling through an optical barrier. The data capture distinctive features that confirm longstanding predictions of tunneling times. In particular, we demonstrate that atoms spend less time tunneling through higher barriers and that this time decreases for lower energy particles. For the lowest measured incident energy, at least $90\%$ of transmitted atoms tunneled through the barrier, spending an average of $0.59(2)$ms inside. This is $0.11(3)$ms faster than atoms traversing the same barrier with energy close to the barrier's peak and $0.21(3)$ms faster than when the atoms traverse a barrier with $23\%$ less energy.

연구 동기 및 목표

• 라모르 시계 방법을 사용하여 잠재적 장벽 내에서 터널링 입자의 체류 시간을 실험적으로 측정하는 것.
• 장벽 높이와 입사 입자 에너지에 따른 터널링 시간의 의존성에 대한 오랫동안 제기된 이론 예측을 검증하는 것.
• 터널링 중에 입자가 고전적으로 금지된 영역에 얼마나 오래 머무는지에 대한 양자역학적 질문을 해결하는 것.
• 이상적인 예측인 장벽 높이가 증가할수록 터널링 시간이 감소한다는 것을 정밀하게 실험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• 레이저 필드를 이용해 제작된 제어 가능한 광학 잠재 에너지 장벽에서 초냉각 $^{87}$Rb 원자를 터널링 입자로 사용하였다.
• 입자의 내부 스핀 자유도를 장벽 영역과 결합시켜 상호작용 시간을 측정하기 위해 라모르 시계를 구현하였다.
• 시간-비행 측정 및 스핀 회전 분석을 사용하여 장벽 내 평균 체류 시간을 추출하였다.
• 입사 운동 에너지와 장벽 높이를 변화시켜 터널링 시간이 이들 매개변수에 어떻게 의존하는지 조사하였다.
• 양자 상태 준비 및 탐지 기법을 적용하여 투과한 원자만 분리하고, 그 평균 장벽 내 체류 시간을 측정하였다.
• 정확한 시간 측정을 보장하기 위해 알려진 스핀-회전 역학을 사용해 라모르 시계를 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장벽 높이가 증가할수록 터널링 입자의 체류 시간이 감소하는가? 이는 고전적 직관과 반대된다.
• RQ2 입사 에너지가 터널링 중 장벽 내에서의 체류 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 라모르 시계 기법은 양자 시스템에서 터널링 시간을 정밀하고 정량적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 투과한 원자 중 얼마나 많은 비율이 장벽 내부에서 측정 가능한 시간 동안 머물며, 이 비율은 에너지와 장벽 높이에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 측정된 최저 입사 에너지에서, 투과한 원자 중 최소 90퍼센트가 평균적으로 장벽 내부에 0.59(2) ms 머물렀다.
• 장벽 높이가 증가할수록 터널링 시간이 감소하여, 더 높은 장벽일수록 더 짧은 체류 시간을 유도한다는 것이 확인되었다.
• 피크 장벽 에너지에 가까운 에너지를 가진 원자들은 낮은 에너지에서의 원자보다 0.11(3) ms 더 오래 터널링하는 데 소요되었으며, 이는 더 높은 에너지가 더 빠른 운동을 의미하는 바이다.
• 피크 에너지보다 23퍼센트 낮은 에너지를 가진 원자들은 최저 에너지에서의 원자보다 0.21(3) ms 더 오래 터널링하는 데 소요되었으며, 이는 에너지에 대한 비단조화적 의존성을 보여주었다.
• 라모르 시계 측정은 예측된 양자역학적 터널링 시간 행동을 성공적으로 캡처하여 이론 모델을 검증하였다.
• 결과는 터널링 시간이 고전적 통과 시간과 단순히 관련되어 있지 않으며, 양자 간섭 효과를 나타낸다는 것을 보여주었다.