Reakcje tunelowe w chemii są bardzo trudne do przewidzenia. Mechanicznie kwantowo dokładny opis reakcji chemicznych z więcej niż trzema cząstkami jest trudny, z więcej niż czterema cząstkami jest prawie niemożliwy. Teoretycy symulują te reakcje za pomocą fizyki klasycznej i muszą pomijać efekty kwantowe. Ale gdzie jest granica tego klasycznego opisu reakcji chemicznych, który może dostarczać jedynie przybliżeń?
Roland Wester z Wydziału Fizyki Jonów i Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie w Innsbrucku od dawna chciał zbadać tę granicę. „Wymaga to eksperymentu, który umożliwia bardzo precyzyjne pomiary i nadal można go opisać mechaniką kwantową” – mówi fizyk eksperymentalny. „Pomysł przyszedł mi do głowy 15 lat temu podczas rozmowy z kolegą na konferencji w USA” — wspomina Wester. Chciał prześledzić kwantowo-mechaniczny efekt tunelowy w bardzo prostej reakcji.
Ponieważ efekt tunelowy sprawia, że reakcja jest bardzo mało prawdopodobna, a przez to powolna, jej eksperymentalna obserwacja była niezwykle trudna. Jednak po kilku próbach zespołowi Westera udało się to zrobić po raz pierwszy, jak donoszą w bieżącym wydaniu czasopisma Nature.
Przełom po 15 latach badań
Zespół Rolanda Westera wybrał wodór – najprostszy pierwiastek we wszechświecie – do swojego eksperymentu. Wprowadzili deuter – izotop wodoru – do pułapki jonowej, schłodzili ją, a następnie napełnili pułapkę gazowym wodorem. Ze względu na bardzo niskie temperatury ujemnie naładowane jony deuteru nie mają energii, aby reagować z cząsteczkami wodoru w konwencjonalny sposób. Jednak w bardzo rzadkich przypadkach dochodzi do reakcji, gdy zderzają się te dwa elementy.
Jest to spowodowane efektem tunelowym: „Mechanika kwantowa pozwala cząstkom przebić się przez barierę energetyczną ze względu na ich kwantowo-mechaniczne właściwości falowe i zachodzi reakcja” – wyjaśnia pierwszy autor badania, Robert Wild. „W naszym eksperymencie podajemy możliwe reakcje w pułapce około 15 minut, a następnie określamy ilość powstałych jonów wodorowych. Z ich liczby możemy wywnioskować, jak często reakcja zachodziła”.
W 2018 roku fizycy teoretyczni obliczyli, że w tym systemie tunelowanie kwantowe występuje tylko w przypadku jednego zderzenia na sto miliardów. Odpowiada to bardzo ściśle wynikom mierzonym obecnie w Innsbrucku i po 15 latach badań po raz pierwszy potwierdza precyzyjny teoretyczny model efektu tunelowania w reakcji chemicznej.
Fundament lepszego zrozumienia
Istnieją inne reakcje chemiczne, które mogą wykorzystywać efekt tunelu. Po raz pierwszy dostępny jest pomiar, który jest również dobrze rozumiany w teorii naukowej. Na tej podstawie badania mogą opracować prostsze modele teoretyczne reakcji chemicznych i przetestować je na reakcji, która została z powodzeniem zademonstrowana.
Efekt tunelowy jest wykorzystywany na przykład w skaningowym mikroskopie tunelowym iw pamięciach flash. Efekt tunelowy jest również używany do wyjaśnienia rozpadu alfa jąder atomowych. Uwzględniając efekt tunelu, można również wyjaśnić niektóre astrochemiczne syntezy cząsteczek w ciemnych obłokach międzygwiazdowych. Eksperyment zespołu Westera kładzie zatem podwaliny pod lepsze zrozumienie wielu reakcji chemicznych.
Badania były wspierane finansowo m.in. przez Austriacki Fundusz Nauki FWF oraz Unię Europejską.