[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究采用拉莫尔钟技术测量超冷 $^{87}$Rb 原子通过光势垒的穿透时间，表明穿透粒子在更高势垒中停留时间更短，能量更低的粒子穿透速度更快。关键发现为：在最低入射能量下，90% 的透射原子在势垒内平均停留时间为 0.59(2) ms，比在势垒峰值能量下快 0.11(3) ms，比在能量低 23% 的情况下快 0.21(3) ms。

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.

研究动机与目标

• 通过拉莫尔钟方法实验测量穿透粒子在势垒中的停留时间。
• 检验关于穿透时间与势垒高度及入射粒子能量依赖关系的长期理论预测。
• 解决量子力学中的基本问题：粒子在穿透过程中于经典禁戒区域停留的时间有多长？
• 为反直觉的理论预测提供精确实验验证，即穿透时间随势垒高度增加而减少。

提出的方法

• 利用激光场产生的受控光势垒，将超冷 $^{87}$Rb 原子作为穿透粒子。
• 通过将粒子的内部自旋自由度与势垒区域耦合，实现拉莫尔钟测量，以测定相互作用时间。
• 结合飞行时间测量与自旋旋转分析，提取粒子在势垒内的平均停留时间。
• 改变入射动能和势垒高度，研究穿透时间对这些参数的依赖关系。
• 采用量子态制备与探测技术，分离透射原子并测量其在势垒内的平均时间。
• 利用已知的自旋旋转动力学对拉莫尔钟进行标定，确保时间测量的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 穿透粒子的停留时间是否随势垒高度增加而减少，与经典直觉相反？
• RQ2 粒子的入射能量如何影响其在穿透过程中于势垒内的停留时间？
• RQ3 拉莫尔钟技术能否为量子系统中的穿透时间提供精确、定量的测量？
• RQ4 有多少比例的透射原子在势垒内经历了可测量的停留时间？该比例如何随能量和势垒高度变化？

主要发现

• 在最低测量入射能量下，至少 90% 的透射原子在势垒内平均停留时间为 0.59(2) ms。
• 穿透时间随势垒高度增加而减少，证实更高的势垒导致更短的停留时间。
• 能量接近势垒峰值的原子比最低能量下的原子多停留 0.11(3) ms，尽管更高能量本应意味着更快运动。
• 穿越能量比峰值低 23% 的势垒的原子比最低能量下的原子多停留 0.21(3) ms，表明其依赖关系具有非单调性。
• 拉莫尔钟测量成功捕捉到穿透时间的预测量子行为，验证了理论模型。
• 结果表明，穿透时间并非简单等同于经典穿越时间，而是表现出量子干涉效应。