在微观世界中，粒子常常表现得就像幽灵一样，能够穿越看似不可逾越的屏障。这神奇的现象被称为量子穿隧效应。多年来，物理学家一直在探寻一个重要问题：量子穿隧效应究竟需要多长时间？如今，经过长达三年的调查研究，由理论物理学家组成的国际研究团队终于找到了答案。他们的最新研究表明，来自氢原子的穿隧电子完成这一过程几乎是瞬间的，时间极短暂，小于1.8阿托秒。
量子穿隧效应之所以如此神奇，是因为在亚原子级别，粒子的行为不同于我们在日常生活中所经历的宏观物体。粒子之所以能够穿越固体屏障，并不是因为它们特别小（尽管它们确实非常小），而是因为在量子级别上，物理规则存在着巨大的差异。这就好比你可以想象一个小球沿着一座山谷滚动，即使没有任何外力的推动，这个小球也能越过看似不可逾越的“珠穆朗玛峰”一样高的斜坡。但是在亚原子粒子的世界里，它们并不需要越过这个“山峰”，而是可以毫无阻碍地抵达另一侧。
粒子也被视为波动，其波函数在空间中延伸无限远。根据著名的波动方程，粒子的位置可以在波函数的任何位置找到。现在，想象一下这个波动函数撞击到一个屏障上，它会持续不断地撞击，但会逐渐失去能量，波的振幅（波峰的高度）会逐渐减小。如果这个屏障非常薄，波的振幅不会减小到零。只要波函数中仍然存在剩余的能量，粒子（尽管它们非常微小）就有可能穿越屏障，抵达另一侧。
这项研究的共同合著者、澳大利亚格里菲斯大学的实验量子物理学家罗伯特·桑（Robert Sang）教授表示，在量子层面上捕捉这种难以捉摸的现象是一项“非常具有挑战性”的实验。要实现这一实验，研究人员需要结合复杂的激光系统、反应显微镜以及氢原子束系统。
研究团队使用了一种被称为“attoclock”的光学计时装置。这个装置能够测量电子在阿托秒级别（即十亿分之一秒的十亿分之一秒）内的运动，是一种超短、极化光脉冲。使用“attoclock”，研究人员以每秒1000脉冲的速度将氢原子置于光中，导致氢原子电离，使其电子穿越屏障。
罗伯特教授指出，位于屏障另一侧的反应显微镜能够测量电子在电离过程中的动量。通过观察带电粒子与attoclock释放的光脉冲相互作用后的能量水平，研究人员可以推测出电子穿越屏障所需的时间。目前，他们的测量精度达到了1.8阿托秒，这意味着他们能够得出结论——量子穿隧效应的时间远远小于1.8阿托秒，几乎是瞬间完成的。
虽然这项研究涉及了复杂的实验系统，但研究人员所使用的粒子非常简单，它们是氢原子，仅包含一个电子。这个研究结果对于之前的研究具有重要意义，因为之前的研究中使用的粒子包含两个或更多的电子，如氦、氩和氪等。由于自由电子之间存在相互作用，这种相互作用可以影响粒子的隧穿时间，解释了为什么之前的研究估计的时间比最新研究更长，甚至比最新研究的估计时间长出几十阿托秒。研究人员强调，氢原子的简单结构使他们能够在实验中实现高精度校准，这为今后研究其他粒子的穿隧时间提供了重要的基准。
