これまでで最も微小な時間のかけらが測定されています

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(図 Background Pixabay)　　(Fig.) アーティクル・イメージ

私達の時間と私達の周りの宇宙に関する知識は、ずっと正確になりました。物理学者は、ゼプト秒(zepto-seconds)のレベルで原子の変化を効果的に測定しました。この新しいレベルの知識で、彼らは1兆分の10憶分の1秒の時間を測定しました。これまでに測定された中で最も微小なかけらです>

この新しいレベルの知識で、彼らは、アインシュタインの光電効果(Einstein's photoelectric effect)の壮観な実験で、その原子を避けている電子の全過程を初めて測定することができました。

光電効果は1905年にアルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)氏によって最初に示唆され、光子として知られる光の粒子が原子の周りを回転する電子と衝突するときに起こります。量子力学によれば、これらの光や光子の破片からのエネルギーは、１つの電子によって完全に吸収されるか、または、それらのうちの幾つかの間に分散されます。しかし今まで、これがどのようなものかを確実に知るために、このプラクティス[実例]の十分な詳細を学ぶことは誰もできませんでした。

最後の結果は、極めて高速なプロセスで、電子がその親原子の結合から急上昇して送られることです。初期の研究では、開始から終了までの全体が5から15アト秒(atto-seconds) (10^-18、10の－18乗秒)の間に起こることを明らかにしました。しかしこれ以前には、科学者達は、電子が原子を離れた後に何が起こるかの詳細しか測定できませんでした。

現在、ドイツのマックス・プランク量子光学研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics、MPIQO)が率いるチームは、プロセスの反対側を詳細に見ることができました。

史上初めて、科学者達は、電子が軌道を離れるまでの時間を微小な時間での観測と測定をしました。彼らは、ヘリウム(helium)原子で様々なレーザーを発射することによってこれを行い、これまでに測定された時間のうち、最も短い時間のゼプト秒(zepto-second) (10^-21、10の－21乗秒)の精度で、全体の光電効果を計算することができました。

科学者の1人、マーカス・オシアンダー(Marcus Ossiander)氏は、ニュー・サイエンティスト(New Scientist)誌のレベッカ・ボイル(Rebecca Boyle)氏に伝えました。「この測定を使って、電子の量子状態が、原子の周りの閉じ込められた一定の状態から自由状態へと変わるまでの所要時間を計算できます。」

科学者達は、研究のためにヘリウム原子を選択しました。何故ならば、ヘリウムには2つの電子しかないからです。光子のエネルギーがどのように電子間に分割されたのか、それらの量子の力(power)の振る舞いを、科学者達が測定できた事が、つまり、十分に難しいということです。しかし、彼らは結果にいくつかの形を見つけられたことは、十分に謙虚なことです。最初の一連の実験では、チームは、その2つの電子を帯電させるために、ヘリウム原子に超短い、途方もない紫外線レーザーパルスを照射しました。

パルスはわずか100から 200アト秒の間続きましたが、しかしその間に多くの解釈を行い、それらの統計的広がりを測定することで、科学者達は実験850ゼプト秒の時間枠に絞り込めました。

その後、チームは、4フェムト秒(femtoseconds) (10^-15、10 の－15乗秒)続けて近赤外レーザーパルスを使いました。一般的に、電子の放出が7 から20アト秒(atto-seconds)の間にかかることを、彼らは測定しました。電子が、核(nucleus)と他の電子とどのように作用したかに要因があります。

つまり、科学者達は、電子がレーザーのエネルギーをどのように分散したかについていくつかの洞察を得ることができました。場合によっては、エネルギーは2つの間で均等に分かれ、時にはそれは均等ではありませんでした。時には、1つの電子が総てのエネルギーを取り込むことがあります。電子の間の分散、ならびに接続、およびレーザーの電磁場などに影響を与えた多数の要因がありました。まだやるべきことがありますが、しかしこれは、原子の量子的振舞い、そして電子が離散的にどのように働くのかを、最終的に理解するための感動的な一歩です。

これらの重要な構成要素がどのように機能するかを正確に理解したならば、量子コンピューティング(quantum computing)や超伝導(superconductivity)などの将来の技術を進歩させるのに役立ちます。今、科学者達は、光子のエネルギーにさらされたときにこれらの電子がどのように作用するかについての完全な説明を作成するために、より多くの試験を行うよう努力するでしょう。

主任研究者のマーティン・シュルツ(Martin Schultze)氏は、ボイル氏に伝えました。「常に複数の電子が存在し、常に相互作用しています。

「電子は、無限の距離でも常にお互いを感じるでしょう。多くのことが個々の電子の相互作用に固定されていますが、しかし、私達はそれらを協調的なものとして捉えています。もしもあなたが、記録の基本レベルで、実際に原子について少しだけ理解したいのならば、電子がどのように相互作用するかを理解する必要があります」

この研究は自然物理学(Nature Physics)誌に掲載されました。

----- 出典 -----

「The Smallest Fragment Of Time Ever Has Been Measured」は、掲載終了しております。

(出典のソース)

www.newscientist.com(同様な記事)

wornandwound.comwww.sciencealert.cominterestingengineering.com

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今回は、極めて微小な時間の測定に成功したことが基準となる、実験物理または実験技術の話です。応用面は量子コンピュータが直近のトピックです。

あくまで、私達の1分とか1秒とかの肌感覚に近い時間から、想像もできない微小な時間で事が起きていることへの挑戦です。

こうした極短時間の測定ができないために、超ミクロな世界を記述する量子力学は、マクロな世界を扱う統計手法でしか理解できていませんでした。なので、瞬間的に広がった空間の至る所に粒子が存在するとか... そうした「ぼんやり」した理解になります。