Открытие атомов в результате редкого квантового скачка — New Scientist

После пятнадцати лет экспериментов группе исследователей удалось обосновать теоретические предсказания о квантовом поведении частиц. Они впервые наблюдали так называемый туннельный эффект, при котором атом погружается в молекулу с квантовым скачком.

Туннельный эффект или Квантовое туннелированиеЭто неуловимое, редкое и трудно предсказуемое явление. Законы квантовой механики иногда позволяют атомам преодолевать энергетический барьер, который на самом деле для них слишком высок. Удар иногда может вызвать химическую реакцию, для которой уже не хватает энергии.

Исследовательская группа из Австрии впервые наблюдала этот туннельный эффект в химической реакции, для которой также удалось провести точные расчеты. Теоретики могут вздохнуть с облегчением. в Результаты Поддержите их ожидания.

Эффект квантового туннеля

Эти предсказания основаны на квантово-механическом моделировании взаимодействий, которые быстро становятся очень сложными. Если три или четыре частицы — атомы и/или молекулы — участвуют во взаимодействии, для теоретиков является лишь вопросом времени вычислить, когда возникает туннельный эффект. Но если задействовано более четырех частиц, расчеты настолько сложны, что теоретическое предсказание практически невозможно.

Вот почему ученые обычно моделируют химические реакции, используя компьютерные модели, которые в значительной степени игнорируют квантовые эффекты. Но всегда ли это правильно? Достаточно ли хорошо ученые понимают квантовые эффекты, чтобы строить такие модели?

Опыт

Чтобы определить это, необходим эксперимент, в котором туннельный эффект имеет место, легко измерим, а взаимодействие достаточно просто для точного расчета квантово-механических эффектов.

«Во время разговора с коллегой нам пришла в голову идея эксперимента», — пишет физик. Роланд Вестер из Университета Инсбрука в Австрии. «Мы решили прореагировать отрицательно заряженный дейтерий (тяжелая форма водорода, DS) с газообразным водородом». Молекулы водорода состоят из двух атомов водорода.

В ходе эксперимента Вестер и его коллеги уловили дейтерий и охладили его до -253 градусов по Цельсию. Затем они добавили газообразный водород. Обычно они реагируют друг с другом, образуя свободные отрицательно заряженные атомы водорода и молекулы, состоящие из дейтерия и водорода. Но при более низких температурах в эксперименте частицам дейтерия не хватает энергии для этой реакции.

Единственный способ образования частиц дейтерия и водорода — это редкий эффект квантового туннелирования, когда частицы дейтерия иногда могут совершать квантовый скачок. Таким образом они преодолевают энергетический барьер и все еще могут взаимодействовать с газообразным водородом.

15 лет опыта

Такие квантовые скачки случаются редко. Чтобы определить, как часто это происходит, исследователи собрали несколько молекул дейтерия и молекул водорода. Затем они подождали 15 минут и посмотрели, сколько свободных отрицательно заряженных атомов водорода образовалось. Это указывает на количество произошедших квантовых скачков.

Другими словами, этот эксперимент кажется довольно простым: добавьте вместе дейтерий и газообразный водород, подождите 15 минут и подсчитайте атомы водорода. Но потребовалось 15 лет, чтобы построить и настроить эксперимент, чтобы он был достаточно чувствительным, чтобы измерить это. Теперь это, наконец, произошло. Результаты подтверждают квантово-механические расчеты, которые ждали результатов эксперимента с 2018 года.

Вестер: «Наши измерения показали, что расчеты действительно точны. Это дает уверенность в том, что такие расчеты можно провести и для других систем, чтобы дать более широкое представление о роли квантового туннелирования в химии.