[論文レビュー] Tunneling takes less time when it's less probable

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

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、レーザークロック技術を用いて、光的障壁を通過する超低温 $^{87}$Rb 原子のトンネル時間測定を行い、トンネル粒子がより高い障壁でより短い時間、低エネルギー粒子がより速くトンネルするという結果を得た。主な発見は、最小の入射エネルギー条件下で、透過した原子の90％が平均して 0.59(2) ms を障壁内に滞在しており、ピーク障壁エネルギー下での測定と比較して 0.11(3) ms 短く、23％低いエネルギー下での測定と比較しては 0.21(3) ms 短かった。

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.

研究の動機と目的

• レーザークロック法を用いて、トンネル粒子がポテンシャル障壁内にどの程度滞在するかを実験的に測定すること。
• 障壁高さと入射粒子エネルギーに依存するトンネル時間の長年の理論的予測を検証すること。
• トンネル過程中に、粒子が古典的に禁じられた領域にどの程度滞在するかという量子力学的問いに答えること。
• 直感に反する予測である、障壁高さが高くなるほどトンネル時間が短くなるという予測を、正確に実験的に検証すること。

提案手法

• レーザー場を用いて作成された制御可能な光的ポテンシャル障壁において、トンネル粒子として超低温 $^{87}$Rb 原子を用いた。
• 粒子の内部スピン自由度を障壁領域に結合させることで、Larmorクロックを実装し、相互作用時間を測定した。
• 飛行時間測定とスピン回転解析を用いて、障壁内での平均滞在時間を抽出した。
• 入射運動エネルギーと障壁高さを変化させ、トンネル時間のこれらのパラメータ依存性を調査した。
• 量子状態の準備と検出技術を適用して透過粒子を分離し、それらが障壁内に平均してどの程度滞在するかを測定した。
• 既知のスピン回転ダイナミクスを用いてLarmorクロックをキャリブレーションし、正確な時間測定を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直感に反して、障壁高さが高くなるにつれてトンネル粒子の滞在時間が短くなるかどうか？
• RQ2 粒子の入射エネルギーが、トンネル過程中の障壁内滞在時間にどのように影響するか？
• RQ3 Larmorクロック技術は、量子系におけるトンネル時間の正確で定量的な測定を可能にするか？
• RQ4 透過粒子の何パーセントが障壁内に測定可能な時間滞在しており、その割合はエネルギーと障壁高さにどのように依存するか？

主な発見

• 測定された最小の入射エネルギー条件下で、透過粒子の少なくとも90％が平均して 0.59(2) ms を障壁内に滞在した。
• 障壁高さが高くなるにつれてトンネル時間が短くなった。これは、より高い障壁が短い滞在時間をもたらすことを確認した。
• ピーク障壁エネルギーとほぼ同じエネルギーを持つ粒子は、最小エネルギー状態の粒子よりも 0.11(3) ms 長く障壁内に滞在したが、これはエネルギーが高いほど運動が速いという直感とは逆の結果であった。
• ピークエネルギーの23％低いエネルギーを持つ粒子は、最小エネルギー状態の粒子よりも 0.21(3) ms 長く障壁内に滞在した。これはエネルギー依存性が単調でないことを示している。
• Larmorクロック測定は、トンネル時間の予測された量子的挙動を正確に捉え、理論モデルの妥当性を裏付けた。
• 結果は、トンネル時間が単に古典的通過時間と関係しているのではなく、量子干渉効果を示していることを示した。