,在經典物理世界中,從一座大山的這邊穿到那邊,只能消耗體力翻山越嶺。但在量子物理世界里,有一種“穿墻術”存在,這就是量子隧穿效應。
奧地利因斯布魯克大學物理學家首次在實驗中觀察到了這種效應,這是有史以來觀察到的最慢的帶電粒子反應。據稱,這種量子事件每 100 億次發生一次。
化學中的隧穿反應是很難預測的。用量子力學精確地描述三個以上粒子的化學反應是困難的,而對四個以上粒子的化學反應幾乎是不可能的。理論學家可以用經典物理學模擬這些反應,但他們必須忽略量子效應。但是,這種只能提供近似值的經典化學反應描述的極限在哪里?
該校離子物理與應用物理系的 Roland Wester 教授長期以來一直在嘗試探索這一前沿領域。這位實驗物理學家表示:“它需要一次實驗,可以進行非常精確的測量,并且仍然可以用量子力學來描述。”“15 年前,我在美國的一次會議上與一位同事交談時想到了這個想法”,他想在一個非常簡單的反應中追蹤量子隧穿效應。
經過 15 年的研究,他終于取得了重要突破。相關論文已于當地時間 3 月 1 日發表在最新一期《Nature》雜志上。DOI:10.1038/s41586-023-05727-z。
值得一提的是,奧地利因斯布魯克大學前段時間還剛剛通過實驗在 230 米的距離上實現兩個離子的糾纏。據稱,俘獲離子是未來跨越城市乃至大陸的量子網絡的一個有前景的平臺,這項研究也發表在了《物理評論快報》雜志上。
由于隧穿效應幾乎不可能發生,因此反應很慢,實驗觀測也變得異常困難。然而,經過幾次嘗試,Wester團隊終于成功地做到了這一點。
Wester團隊選擇用宇宙中最簡單的元素 —— 氫來進行實驗。他們將氫的同位素氘引入離子阱,將其冷卻,然后用氫氣填充離子阱。由于溫度非常低,帶負電的氘離子缺乏能量與氫分子以傳統方式進行反應,但卻可以在非常罕見的情況下通過碰撞發生反應。
當氫分子和帶電的氘原子發生碰撞時,這一交換質子的過程可以通過稱為隧穿,但這種情況在 100 億次碰撞中只會發生一次。
“由于量子力學波的特性,量子力學允許粒子突破能量勢壘,并發生反應,”該研究的第一作者羅伯特?懷爾德解釋說,“在我們的實驗中給出了大約 15 分鐘的可能反應,然后確定形成的氫離子的數量。從它們的數量,我們可以推斷出反應發生的頻率。”
值得一提的是,2018 年就曾有理論物理學家計算出,在這個系統中,量子隧穿概率為 1000 億分之一。這與現在在因斯布魯克測量的結果非常吻合,經過 15 年的研究,人類科學家首次證實了化學反應中隧道效應的精確理論模型。
當然,還有其他化學反應也可以利用隧道效應。只不過這是科學家第一次觀察到量子隧穿效應,這種測量方法在科學理論中也得到了很好的理解。在此基礎上,研究人員可以為化學反應建立更簡單的理論模型,并在已經成功證明的反應上進行測試。
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