Quando você lida com coisas em escala quântica, onde as coisas são muito pequenas, o mundo é bastante confuso e bizarro em comparação com nossas experiências cotidianas.

Por exemplo, normalmente não podemos atravessar paredes sólidas. Mas na escala quântica, quando uma partícula encontra uma barreira aparentemente intransponível, às vezes pode passar para o outro lado - um processo conhecido como tunelamento quântico.

Mas a rapidez com que uma partícula poderia criar um túnel através de uma barreira sempre foi um quebra-cabeça.

No trabalho publicado hoje na Nature, resolvemos parte do problema.

Por que isso é importante? É um avanço que pode ter um impacto nas tecnologias futuras que vemos em nossas casas, no trabalho ou em outro lugar.

Muitas das tecnologias atuais - como semicondutores, a tela LED do seu smartphone, ou lasers - são baseados em nossa compreensão de como as coisas funcionam no mundo quântico.

Portanto, quanto mais podemos aprender, mais podemos desenvolver.

De volta ao tunelamento

Para partículas quânticas, como elétrons, quando dizemos que eles podem abrir um túnel através de barreiras, não nos referimos a obstáculos físicos, mas barreiras de energia.

O tunelamento é possível devido à natureza ondulatória do elétron. A mecânica quântica atribui natureza ondulatória a cada partícula, e, portanto, há sempre uma probabilidade finita de a onda se propagar através das barreiras, assim como o som viaja pelas paredes.

Pode parecer contra-intuitivo, mas isso é o que é explorado em tecnologias como microscópios de tunelamento de varredura, que permitem aos cientistas criar imagens com resolução atômica. Isso também é observado naturalmente na fusão nuclear, e em processos biológicos como a fotossíntese.

Embora o fenômeno do tunelamento quântico seja bem estudado e utilizado, os físicos ainda não tinham um entendimento completo disso, especialmente no que diz respeito à sua dinâmica.

Se pudéssemos explorar a dinâmica do tunelamento - por exemplo, usá-lo para transportar mais informações - poderia nos dar um novo controle sobre as futuras tecnologias quânticas.

Um teste de velocidade de túnel

O primeiro passo para esse objetivo é medir a velocidade do processo de tunelamento. Este não é um feito simples, como as escalas de tempo envolvidas na medição são extremamente pequenas.

Para barreiras de energia do tamanho de alguns bilionésimos de metro, como em nosso experimento, alguns físicos calcularam que o processo de tunelamento levaria cerca de cem attossegundos (1 attosegundo é um bilionésimo de bilionésimo de segundo).

Para colocar as coisas em perspectiva, se um attosegundo for estendido para um segundo, então, um segundo é igual à idade do universo.

Os tempos estimados são tão pequenos que antes eram tratados como praticamente instantâneos. Portanto, para nosso experimento, precisávamos de um relógio que pudesse cronometrar esses eventos com enorme exatidão e precisão.

Os avanços tecnológicos em sistemas de laser ultrarrápidos nos permitiram implementar tal relógio no Australian Attosecond Science Facility, Center for Quantum Dynamics, na Griffith University.

O relógio no experimento não é mecânico ou elétrico - ao contrário, é o vetor de campo elétrico giratório de um pulso de laser ultrarrápido.

A luz é apenas radiação eletromagnética feita de campos elétricos e magnéticos variando em uma taxa rápida. Usamos esse campo que muda rapidamente para induzir o tunelamento no hidrogênio atômico e também como um cronômetro para medir quando ele termina.

Quão rápido?

A escolha de usar hidrogênio atômico (que é simplesmente um par ligado de um elétron e um próton) evita as complicações que surgem de outros átomos, tornando mais fácil comparar e interpretar os resultados de forma inequívoca.

O tempo de tunelamento que medimos não foi superior a 1,8 attossegundos, muito menor do que algumas teorias previram. Esta medição exige uma séria reconsideração de nossa compreensão da dinâmica de tunelamento.

Várias teorias estimaram uma gama de tempos de tunelamento - de zero a centenas de attossegundos - e não houve consenso entre os físicos sobre qual estimativa teórica única estava correta.

Uma razão básica para as divergências está no próprio conceito de tempo na mecânica quântica. Por causa das incertezas quânticas, não pode haver certeza absoluta no momento em que uma partícula entra ou sai da barreira.

Mas experimentos como os nossos, usando medições precisas em sistemas simples, poderia nos guiar para refinar nossa compreensão de tais tempos

As próximas tecnologias

Os saltos quânticos no mundo tecnológico costumam estar enraizados na busca pela ciência fundamental.

As futuras tecnologias quânticas que incorporam muitas das características quânticas - como superposição e emaranhamento - levarão ao que os tecnólogos chamam de "segunda revolução quântica".

Compreendendo totalmente a dinâmica quântica do evento de tunelamento atômico mais simples possível - com um único próton e um único elétron - mostramos que certos tipos de teorias podem ser invocados para dar a resposta certa, onde outros tipos de teorias falham.

Isso nos dá confiança sobre quais teorias aplicar a outras, sistemas mais complicados.

As medições na escala de attossegundo não apenas adicionam uma dimensão extra para as tecnologias quânticas futuras, mas também podem ajudar fundamentalmente na compreensão do elefante da sala quântica:o que é Tempo ?

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.