奇异的隧穿效应
1927年，德国物理学家弗里德里希·洪德（Friedrich Hund）在研究原子是若何连系构成分子时，发现了量子世界中的一个极为奥秘的现象：在某些特定前提下，原子、电子或天然界中的其他粒子，能够“穿越”本该不成超越的障碍，就比如是鬼魂穿“墙”而过。
那些粒子所穿越的，其实并非一个物量性的障碍，而是能够限造那些粒子的势垒。例如一个被捕捉的电子能够在不受外界影响的情况下逃脱束缚，就像一个高尔夫球从球场的一个洞中突然消逝，再无缘无故地呈现在另一个洞中。
量子隧穿允许粒子穿过势垒。（图/Universität Innsbruck/Harald Ritsch）
那种奇异的物理现象，就是出名的量子隧穿。然而，在化学反响中，量子隧穿却十分稀有，所以很难在理论上和尝试长进行研究。如今，在一项颁发于《天然》杂志上的研究中，研究人员初次在尝试中察看到量子隧穿反响。
被忽略的量子效应
许多化学反响能够被描述为粒子沿着由粒子间感化力产生的轨迹运动。但量子子力学告诉我们，粒子也能够表示得像波一样。想要预测化学反响中的那种量子特征，却十分困难。
用量子力学来切确描述三个粒子的化学反响，是一件极具挑战的工作；而想用量子力学来描述四个或四个以上的粒子的化学反响时，难度更是不可思议。因而，科学家在理解和描述那些反响时，凡是只考虑典范物理学，而忽略掉此中的量子效应。
但是，那种忽略显然不适用于那些量子效应占主导地位的反响，好比隧穿反响。简单来说，在隧穿反响中，因为粒子具有颠簸属性，它们能够在不具备足够动能的情况下仍然打破能量势垒，从而与其他粒子发作反响。
固然，研究人员能够通过停止一些简化和假设，来对那些反响停止量子计算。但产生的近似成果的有效性，需要通过尝试丈量来查验。然而，因为化学中的隧穿效应是很难预测且难以发作的，它们的反响速度也十分迟缓，因而想要在尝试中不雅测那一效应异常困难。
一个简单的反响
物理学家Roland Wester不断在那一范畴摸索。大约在15年前，他在一次学术会议上与人扳谈时，萌发了一个设法：在一个简单的反响中，逃踪量子力学隧穿效应。
在颠末几次的勤奋测验考试后，在最新的研究中，Wester和他的团队选择了宇宙中最简单、最丰硕的元素——氢来停止尝试。他们决定阐发一个简单的离子分子反响：从一个氢分子（H₂）上，转移一个带正电的氢离子（H⁺，量子），产生一个带负电的氢离子（H⁻）。
为了实现那个离子分子反响，在尝试中，他们将带负电的氘（氢的同位素）离子（D⁻）置于一个冰冷的离子阱中，然后向阱中充满氢气（H₂），D⁻与H₂会构成一个HD分子和一个H⁻（即D⁻+ H₂→H⁻+ HD）。
然而，因为温度十分低，D⁻缺乏与H₂以常规体例发作反响的能量。但在十分稀有的情况下，两者碰碰时确实会发作反响。那种反响就是由隧穿效应引起的。2018年，理论物理学家计算出，那种由量子隧穿引起的反响，大约只在每1000亿碰碰中发作一次。
在尝试中，研究人员为那些可能在离子阱中发作的反响给出了约15分钟的反响时间。接着，他们从离子阱中提取所有离子，并测定构成的H⁻的数量，进而揣度反响速度。
成果表白，当H₂的密度较小时，丈量成果与理论预测成果十分一致；但当H₂的密度较大时，反响速度会有所增加。
为了理解那种增长，研究人员对阱中的离子轨迹停止了计算机模仿。模仿成果表白，那种增长能够用一种与加热动力学有关的机造来解释，当H₂的密度较小时，那种机造的效应能够忽略不计。
为更好天文解奠基根底
如许的尝试成果意味着，颠末15年的研究，科学家第一次证明了化学反响中的量子隧穿效应的切确理论模子。那一打破性的成果为更好天文解许多化学反响奠基了根底，并有助于为那些化学反响创建更简单的理论模子。
参考来源：
https://www.uibk.ac.at/en/newsroom/2023/quantum-chemistry-molecules-caught-tunneling/
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00320-w
https://www.newscientist.com/article/2361956-strange-quantum-event-hapPEns-once-every-10-billion-chances/
封面图&首图：University of Innsbruck/Harald Ritsch
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