“穿墙术”存在?科学家首次观察到量子隧穿效应

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2023-03-07 08:55:16

来源:京报网


(资料图)

在经典物理世界中,从一座大山的这边穿到那边,只能消耗体力翻山越岭。但在量子物理世界里,有一种“穿墙术”存在,这就是量子隧穿效应。奥地利因斯布鲁克大学物理学家首次在实验中观察到了这种效应,这是有史以来观察到的最慢的带电粒子反应。相关研究论文发表在最新一期《自然》杂志上。

研究团队此次试图在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧穿效应。团队选择了氢来进行实验,他们将氘(氢的同位素)引入一个离子阱,使其冷却,然后用氢气填充离子阱。由于温度非常低,带负电的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而,在极少数情况下,当两者发生碰撞时,确实会发生反应。

这是由隧穿效应引起的。研究第一作者罗伯特·怀尔德解释说,量子力学中,粒子具有波动性,这使其可以突破能量障碍并发生反应。“在实验中,我们给量子阱中可能发生的反应大约15分钟的时间,然后确定形成的氢离子数量。从它们的数量中,我们可以推断出反应发生的频率。”

2018年,理论物理学家计算出,在这个系统中,每千亿次碰撞中只有一次发生量子隧穿。这与现在科学家测量的结果非常吻合,经过多年研究,研究人员首次证实了化学反应中隧穿效应的精确理论模型。

在此基础上,研究人员可以开发出更简单的化学反应理论模型,并已成功进行测试。隧穿效应可被用于扫描隧道显微镜和闪存中,也可用以解释原子核的阿尔法衰变,还可解释星际暗云中分子的一些天体化学合成。鉴于此,团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。

量子隧穿效应可比穿山法术,其在经典力学也就是宏观世界里不可能发生,但使用量子力学理论描述微观粒子世界时,它却有效。简单来说,微观粒子可以穿入或穿越看似不可穿越的高墙。而此次对这一事件的描述,将对诺奖级技术——扫描隧道显微镜发展有极大助力,其将利用量子隧穿效应更为精确的定位和观察单个原子。

标签: 隧穿效应 化学反应 扫描隧道显微镜

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