La duración del efecto túnel en la ionización de un átomo

Dibujo20170729 Semi-classical picture and initial conditions provided by the Wigner formalism arxiv 1611 03701

¿Cuánto dura el paso de una partícula por efecto túnel a través de una barrera de potencial? El efecto Hartman afirma que el tiempo de retraso es constante y no depende de la anchura de la barrera. Se publica en Physical Review Letters la medida experimental de dicha duración para electrones en un proceso de ionización por efecto túnel. Para la ionización de átomos de argón (Ar) y de kriptón (Kr) con pulsos láser de 60 fs en el infrarrojo cercano (1300 nm) de diferente intensidad (hasta 1014 W/cm²) la duración es constante (unos 10 as) como predice la teoría.

El gran problema de las medidas de los retrasos en el efecto túnel es decidir cuándo el electrón ha superado la barrera, adquiriendo una posición y un momento lineal bien definidos (dentro de los límites del principio de indeterminación). En la nueva medida se usa un modelo teórico del proceso de ionización tanto con retraso por efecto túnel como sin él. Al ajustar los resultados experimentales a dicho modelo se observa buen acuerdo solo cuando se incluye el retraso. Más aún, el ajuste permite estimar el valor numérico del retraso (duración del efecto túnel).

El artículo es Nicolas Camus, Enderalp Yakaboylu, …, Robert Moshammer, “Experimental Evidence for Quantum Tunneling Time,” Phys. Rev. Lett. 119: 023201 (14 Jul 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.023201, arXiv:1611.03701 [physics.atom-ph]; por cierto, por el formato del manuscrito en arXiv del 11 Nov 2016 parece que fue enviado a Nature Physics, donde fue rechazado, para más tarde acabar aceptado en Physical Review Letters.

En mi blog te recomiendo leer “Efecto Hartman o la duración universal del efecto túnel cuántico”, LCMF, 04 Feb 2009, y “Estiman el tiempo que necesita un electrón para ionizar un átomo por efecto túnel”, LCMF, 17 May 2012.

Dibujo20170729 Experimental acquisition of the photoelectron emission angles arxiv 1611 03701

Como muestra la figura que abre esta entrada (vuelve a verla para entender lo que sigue), la barrera de potencial consiste en el potencial de Coulomb inclinado debido a los pulsos láser incidentes. Los átomos de Ar y Kr se ionizan, escapando el electrón por efecto túnel. La trayectoria de los electrones no se puede observar de forma directa. Sin embargo se usa un detector de tiempo de llegada; a partir del punto de incidencia en dicho detector se estima la trayectoria del electrón desde que fue ionizado. Si no se tiene en cuenta el retraso por efecto túnel (la llamada trayectoria “simple man” en la figura) resulta que el punto de incidencia difiere del observado en el experimento; el acuerdo entre ambos se obtiene para la trayectoria de Wigner, calculado incluyendo el retraso por efecto túnel.

Dibujo20170729 Difference most probable photoelectron emission angle for argon and krypton arxiv 1611 03701

Las medidas de la duración (o retraso en tiempo) en este nuevo trabajo han de ser tomadas como mucha precaución. Por ello, el valor obtenido (unos 10 as) tiene una alta incertidumbre. Lo relevante es que se ha demostrado que la duración es diferente de cero y que su valor coincide (dentro de la incertidumbre experimental) para los átomos de Ar y Kr.


2 Comentarios

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benjaminbenjamin

Hola Francis

Es verdad que si uno se golpea la cabeza contra una pared existe una probabilidad de pasarla por efecto cuantico? solo que la probabilidad que pase es bajisima? o es una explicacion erronea?

Francisco R. Villatoro

Benjamin, no es verdad, ya que la mecánica cuántica no relativista no es aplicable a un objeto macroscópico como tú a temperatura ambiente; si insistes y realizas el cálculo resulta una temperatura tan pequeña que es muchísimo menor que la temperatura mínima asociada a la energía de Planck, luego no existe dicha temperatura en nuestro universo (según las ideas actuales de la física).

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