Прорив у квантовій хімії: молекули вперше потрапили в тунель

Тунельні реакції в хімії дуже важко передбачити. Квантово-механічний точний опис хімічних реакцій з більш ніж трьома частинками є складним, з більш ніж чотирма частинками – майже неможливим. Теоретики моделюють ці реакції за допомогою класичної фізики та повинні нехтувати квантовими ефектами. Але де межа цього класичного опису хімічних реакцій, який може дати лише наближення?

Роланд Вестер з кафедри іонної фізики та прикладної фізики Університету Інсбрука давно хотів дослідити цей кордон. «Для цього потрібен експеримент, який дає змогу проводити дуже точні вимірювання та все ще може бути описаний квантово-механічним шляхом», — каже фізик-експериментатор. «Ця ідея прийшла до мене 15 років тому під час розмови з колегою на конференції в США», — згадує Вестер. Він хотів простежити квантово-механічний тунельний ефект у дуже простій реакції.

Оскільки тунельний ефект робить реакцію дуже малоймовірною і, отже, повільною, її експериментальне спостереження було надзвичайно складним. Однак після кількох спроб команді Вестера вперше вдалося це зробити, як вони повідомляють у поточному номері журналу  Nature.

Прорив після 15 років досліджень

Команда Роланда Вестера вибрала для свого експерименту водень – найпростіший елемент у Всесвіті. Вони ввели дейтерій – ізотоп водню – в іонну пастку, охолодили його, а потім заповнили пастку газоподібним воднем. Через дуже низькі температури негативно зарядженим іонам дейтерію не вистачає енергії, щоб реагувати з молекулами водню звичайним способом. Однак у дуже рідкісних випадках реакція виникає, коли вони стикаються.

Це викликано тунельним ефектом: «Квантова механіка дозволяє частинкам проривати енергетичний бар’єр завдяки своїм квантово-механічним хвильовим властивостям, і відбувається реакція», — пояснює перший автор дослідження Роберт Уайлд. «У нашому експерименті ми даємо можливим реакціям у пастці приблизно 15 хвилин, а потім визначаємо кількість утворених іонів водню. З їхньої кількості ми можемо зробити висновок про те, як часто відбувалася реакція».

У 2018 році фізики-теоретики підрахували, що в цій системі квантове тунелювання відбувається лише в одному зі ста мільярдів зіткнень. Це дуже точно відповідає результатам, отриманим зараз в Інсбруку, і після 15 років досліджень вперше підтверджує точну теоретичну модель ефекту тунелювання в хімічній реакції.

Основа для кращого розуміння

Є й інші хімічні реакції, які можуть використовувати ефект тунелю. Вперше тепер доступне вимірювання, яке також добре зрозуміле в науковій теорії. На основі цього дослідження можуть розробити простіші теоретичні моделі хімічних реакцій і перевірити їх на реакції, яка зараз успішно продемонстрована.

Тунельний ефект використовується, наприклад, у скануючому тунельному мікроскопі та у флеш-пам’яті. Тунельний ефект також використовується для пояснення альфа-розпаду атомних ядер. Включаючи тунельний ефект, також можна пояснити деякі астрохімічні синтези молекул у міжзоряних темних хмарах. Таким чином, експеримент команди Вестера закладає основу для кращого розуміння багатьох хімічних реакцій.