In de quantummechanica kunnen deeltjes heel soms door een barrière heen gaan, ook al hebben ze daar lang niet genoeg energie voor. Voor het eerst hebben fysici nu de snelheid van dat 'tunneleffect' weten te bepalen. 

In de quantumwereld gelden andere wetten dan in de klassieke wereld zoals we die kennen. Een van de voorbeelden is het tunneleffect. Stel het je voor alsof een bal die je tegen een muur gooit ineens door de muur heen schiet en aan de andere kant van die muur belandt.
 

Laserpuls

Onderzoekers breken zich al jaren het hoofd over de vraag hoe lang die bal er nu precies over doet om dwars door die muur heen te gaan. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van fysici van Griffith University in Australië heeft daar na drie jaar studie nu een antwoord op gevonden. Ze publiceerden hun bevindingen deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. 

Het team schoot een reeks extreem korte, maar zeer intense laserlichtpulsen af op een eenvoudig waterstofatoom. Het elektron in dat atoom werd zo gedwongen om uit het atoom te breken. Door de laserpulsen (duizend per minuut) exact te timen, konden de wetenschappers precies volgen wanneer het elektron uit het atoom brak en hoe lang het daarover deed.


Miljardste van een miljardste seconde

Het antwoord? Nog geen 1,8 attoseconde (een miljardste van een miljardste seconde). Hoe snel dat is is lastig voor te stellen, maar het kost een elektron ongeveer 100 attoseconden om rond een atoomkern te draaien. Het komt er op neer dat elektronen zich vrijwel zonder enige vertraging door een barrière heen weten te werken. 

Het tunneleffect is van belang in tal van technologische toepassingen, zoals transistors en bepaalde elektronenmicroscopen. Bij die laatste, de scanning-tunnelingmicroscoop, wordt een naald van één atoom dik vlak boven het te onderzoeken object voortbewogen. Elektrionen kunnen vervolgens tussen de naald en het object 'tunnelen', waardoor er een beeld ontstaat van het object op atoomschaal.


Complexere atomen

'We kozen voor een waterstofatoom omdat dat het allersimpelste atoom is dat er bestaat', zegt hoogleraar Robert Sang. Nu duidelijk is met welke snelheid het tunneleffect bij een waterstofatoom verloopt, kan ook de snelheid bij complexere atomen beter worden vastgesteld, aldus de onderzoekers in een persbericht.  

Sinds de allereerste dagen van de quantummechanica vormt de duur van het tunneleffect al een punt van discussie, zegt mede-onderzoeker Igor Litvinyuk. 'Die discussie is nu eindelijk beslecht.'