Впервые в квантовой физике: исследователи наблюдают образование молекул за счет туннельного эффекта
Впервые физики из Университета Инсбрука в своих экспериментах наблюдали химическую реакцию, протекающую через туннелирование. Туннельные реакции играют фундаментальную роль в химии, когда классические пути энергетически «запрещены». Это наблюдение также может быть прекрасно описано теорией. Это самая медленная реакция с заряженными частицами из когда-либо наблюдавшихся.
Туннельный эффект является следствием волновой природы материи. Это квантово-механическое явление, при котором объекту, например, электрону или атому, удается пересечь потенциальный энергетический барьер, когда, согласно классической механике, его энергия меньше минимально необходимой. Туннельные реакции в химии очень трудно рассчитать теоретически из-за высокой размерности квантовой динамики, отмечают исследователи в журнале Nature.
Для моделирования химических реакций с более чем тремя частицами физики-теоретики используют классическую физику и вынуждены пренебрегать квантовыми эффектами — подход, который может дать лишь приблизительные результаты. Туннельные реакции также трудно наблюдать экспериментально: это явление делает реакцию очень маловероятной и, следовательно, чрезвычайно медленной. Однако после нескольких попыток Роланду Вестеру с кафедры физики ионов и прикладной физики Университета Инсбрука и его команде впервые удалось провести такое наблюдение.
Хотя туннельные реакции в целом трудно предсказать, водородные системы позволяют проводить более точные расчеты — водород является самым простым элементом во Вселенной. Например, можно рассчитать скорость туннельной реакции низкотемпературного газофазного переноса протонов от молекул водорода к анионам дейтерия (H2 + D– → H– + HD).
В 2018 году Роланд Вестер и другие физики сообщили в Physical Review A о «вероятности реакции» 3,1 x 10-20 см3/с для ортоводорода (диводорода, состоящего из молекул, в которых два протона имеют спины, ориентированные в одном направлении). Однако до сих пор это значение никогда не проверялось экспериментально. Вестер и другие сотрудники приняли вызов.
Они ввели дейтерий в ионную ловушку, охладили ее, а затем заполнили ловушку газообразным водородом. Из-за очень низкой температуры отрицательно заряженные ионы дейтерия не имеют энергии для реакции с молекулами водорода «обычным» способом. Однако в очень редких случаях реакция происходит при их столкновении. Именно здесь и возникает туннельный эффект.
«Квантовая механика позволяет частицам преодолеть энергетический барьер благодаря их квантово-механическим волновым свойствам, и происходит реакция«, — объясняет Роберт Уайлд, первый автор исследования, описывающего результаты эксперимента. После «запуска» реакции в течение примерно 15 минут исследователи определили количество образовавшихся ионов водорода. Из этого количества они смогли вывести частоту, с которой происходил перенос протонов.
Теоретическая модель впервые подтверждена
Согласно теоретическому исследованию, опубликованному в 2018 году, туннелирование в этой системе должно было произойти только в одном из ста миллиардов столкновений. Результаты, наблюдаемые в этом новом эксперименте, согласуются с этой теоретической оценкой. «Мы наблюдаем чрезвычайно низкую константу скорости (5,2 ± 1,6) × 10-20 см3/с«, — уточняют исследователи.
После 15 лет исследований команда впервые подтвердила точную теоретическую модель для эффекта туннелирования в химической реакции. Этот прорыв поможет ученым лучше понять фундаментальные процессы столкновения, которые лежат в основе большинства химических реакций. На основе этой работы теперь можно разработать и проверить другие теоретические модели для других реакций.
Туннельный эффект играет важную роль в некоторых макроскопических физических явлениях, таких как ядерный синтез — где он увеличивает вероятность того, что атомные ядра смогут преодолеть кулоновский барьер и таким образом соединиться — и альфа-радиоактивный распад атомных ядер. Именно изучение радиоактивности привело к открытию туннельного эффекта: его первым применением в 1928 году стало математическое объяснение альфа-распада.
Он также используется в туннельном микроскопе — где позволяет исследовать поверхность материала с пространственным разрешением размером с атом. Наконец, он лежит в основе синтеза различных молекул в межзвездных облаках и является ключевым фактором во многих биохимических реакциях (таких, как фотосинтез или клеточное дыхание) и ферментативных процессах.
Поэтому понимание роли туннелирования в молекулярных перестройках может иметь важные последствия для энергетических расчетов широкого спектра ядерных и химических реакций.