За първи път в квантовата физика бе наблюдавано образуването на молекули чрез тунелен ефект

Физици от университета в Инсбрук за първи път наблюдаваха в своите експерименти химична реакция протичаща чрез тунелиране. Тунелните реакции играят основна роля в химията, когато класическите пътища са енергийно „забранени“. Това наблюдение може перфектно да бъде теоретично описано. Това е най-бавната реакция със заредени частици, наблюдавана някога.

Тунелният ефект е следствие от вълновата природа на материята. Това е квантовомеханично явление, при което обект, например електрон или атом, успява да премине бариерата от потенциална енергия, когато според класическата механика неговата енергия е по-малка от необходимия минимум. Тунелните реакции в химията са много трудни за теоретично изчисляване поради високата размерност на квантовата динамика, отбелязват изследователите в списание Nature.

За моделирането на химични реакции с повече от три частици теоретичните физици използват класическата физика и трябва да пренебрегнат квантовите ефекти – подход, който може да даде само приблизителни резултати. Тунелните реакции също са трудни за експериментално наблюдение: това явление прави реакцията много малко вероятна и следователно изключително бавна. Въпреки това след няколко опита Роланд Вестер от катедрата по йонна физика и приложна физика в Университета в Инсбрук и неговият екип успяха за пръв път да осъществят подобно наблюдение.

Въпреки че тунелните реакции по принцип са трудни за прогнозиране, водородните системи позволяват по-точни изчисления – водородът е най-простият елемент във Вселената. Така например възможно е да се изчисли скоростта на тунелиране при нискотемпературната реакция на пренос на протони в газовата фаза от молекули водород към аниони на деутерий (H2 + D- → H- + HD).

През 2018 г. Роланд Вестер и други физици съобщиха във Physical Review за „вероятност за реакция“ от 3,1 x 10^-20 cm³/s за ортоводород (диводород, съставен от молекули, в които два протона имат спинове, ориентирани в една и съща посока). Досега обаче тази стойност не е проверявана експериментално. Вестер и други експерти се заеха с това предизвикателство.

Те са вкарали деутерий в йонен капан, охладили са го и след това са напълнили капана с водороден газ. Поради много ниската температура отрицателно заредените деутериеви йони не разполагат с енергия, за да реагират с молекулите на водорода по „нормален“ начин. Въпреки това в много редки случаи реакцията протича, когато те се сблъскат. Именно тук се проявява тунелният ефект.

„Квантовата механика позволява на частиците да преминат енергийната бариера благодарение на техните квантовомеханични вълнови свойства и реакцията се осъществява“, обяснява Робърт Уайлд, водещият автор на изследването, описващ резултатите от експеримента.

След като „задействат“ реакцията за около 15 минути, изследователите определят количеството на произведените водородни йони. От това количество те успяват да определят честотата, с която се осъществява преносът на протони.

Теоретичният модел за първи път бе потвърден

Според теоретично изследване, публикувано през 2018 г., тунелирането в подобна система би трябвало да възниква само при един на сто милиарда сблъсъка. Резултатите, наблюдавани в този нов експеримент, са в съответствие с тази теоретична оценка.

„Наблюдаваме изключително ниска константа на скоростта от (5,2 ± 1,6) × 10^-20 cm³/s“, уточняват изследователите.

След 15-годишни изследвания екипът за първи път потвърди точния теоретичен модел за тунелния ефект при химична реакция. Този пробив ще помогне на учените да разберат по-добре фундаменталните процеси на сблъсък, които са в основата на повечето химични реакции. Въз основа на тази работа сега могат да бъдат разработени и тествани други теоретични модели за други реакции.

Тунелният ефект играе важна роля в някои макроскопични физични явления, като например ядрения синтез, при който се увеличава вероятността атомните ядра да преодолеят Кулоновата бариера и по този начин да се съединят, както и при алфа-радиоактивния разпад на атомните ядра. Именно изследването на радиоактивността води до откриването на тунелния ефект: първото му приложение през 1928 г. е математическото обяснение на алфа разпада.

Той се използва и в тунелния микроскоп, където дава възможност да се изследва повърхността на даден материал с пространствена разделителна способност от атомарен размер. И накрая, той е в основата на синтеза на различните молекули в междузвездните облаци и е ключов фактор в голям брой биохимични реакции (като фотосинтезата и клетъчното дишане) и в ензимните процеси.

Следователно разбирането на ролята на тунелирането в молекулните пренареждания може да има важни последици за енергийните изчисления на широк спектър от ядрени и химични реакции.

Тунелирането все по-често се използва в съвременната компютърна електроника. Преди две години изследователите от Ланкастърския университет, Великобритания, създадоха нов тип памет, която може да се използва както като RAM, така и за съхраняване на данни.  Новата UltraRAM обединява в себе си преимуществата на оперативната и на флаш паметта. Перспективната технология носи името UltraRAM и е в състояние изцяло да промени принципа на работа на съвременните персонални компютри, смартфони и всякаква друга компютърна техника. UltraRAM е независима енергийно независима памет, (Non-volatile RAM или NVRAM) която работи със същата скорост като DRAM, но консумира 100 пъти по-малко енергия. За нейното създаване е използван метода на резонансното тунелиране, който позволява работа при ниско напрежение.

Новият пробив на австрийските квантови физици може да доведе до създаването на съвсем нови видове, непознати досега, микроелектронни компоненти.