Kemikere observerer uhyggelig kvantetunnelering

Et molekyle af ammoniak, NH ₃ , eksisterer typisk som en paraplyform, med tre brintatomer spredt ud i et ikke-plant arrangement omkring et centralt nitrogenatom. Denne paraplystruktur er meget stabil og ville normalt forventes at kræve en stor mængde energi for at blive inverteret.

Imidlertid, et kvantemekanisk fænomen kaldet tunneling gør det muligt for ammoniak og andre molekyler samtidig at bebo geometriske strukturer, der er adskilt af en uoverkommelig høj energibarriere. Et team af kemikere, der inkluderer Robert Field, Robert T. Haslam og Bradley Dewey professor i kemi ved MIT, har undersøgt dette fænomen ved at bruge et meget stort elektrisk felt til at undertrykke den samtidige besættelse af ammoniakmolekyler i normal og inverteret tilstand.

"Det er et smukt eksempel på tunnelfænomenet, og det afslører en vidunderlig mærkelighed i kvantemekanikken, " siger Field, som er en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen.

Heon Kang, en professor i kemi ved Seoul National University, er også seniorforfatter af undersøgelsen, som vises i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Youngwook Park og Hani Kang fra Seoul National University er også forfattere til papiret.

Undertrykkelse af inversion

Eksperimenterne, opført på Seoul National University, blev muliggjort af forskernes nye metode til at anvende et meget stort elektrisk felt (op til 200, 000, 000 volt pr. meter) til en prøve placeret mellem to elektroder. Denne samling er kun et par hundrede nanometer tyk, og det elektriske felt, der påføres det, genererer kræfter, der er næsten lige så stærke som vekselvirkningerne mellem tilstødende molekyler.

"Vi kan anvende disse enorme felter, som har næsten samme størrelse som de felter, som to molekyler oplever, når de nærmer sig hinanden, " siger Field. "Det betyder, at vi bruger et eksternt middel til at operere på lige vilkår med, hvad molekylerne kan gøre selv."

Dette gjorde det muligt for forskerne at udforske kvantetunnelering, et fænomen, der ofte bruges i bachelor-kemikurser for at demonstrere en af ​​kvantemekanikkens "uhyggeligheder", Field siger.

Som en analogi, forestil dig, at du vandrer i en dal. For at nå den næste dal, du skal bestige et stort bjerg, hvilket kræver meget arbejde. Nu, forestil dig, at du kunne tunnelere gennem bjerget for at komme til den næste dal, uden reel indsats. Dette er hvad kvantemekanikken tillader, under visse betingelser. Faktisk, hvis de to dale har nøjagtig samme form, du ville være samtidigt placeret i begge dale.

I tilfælde af ammoniak, den første dal er lavenergien, stabil paraplytilstand. For at molekylet kan nå den anden dal - den omvendte tilstand, som har nøjagtig den samme lavenergi-klassisk set ville den skulle op i en meget højenergitilstand. Imidlertid, kvantemekanisk, det isolerede molekyle eksisterer med lige stor sandsynlighed i begge dale.

Under kvantemekanikken, de mulige tilstande af et molekyle, såsom ammoniak, beskrives i form af et karakteristisk energiniveaumønster. Molekylet eksisterer oprindeligt i enten den normale eller omvendte struktur, men det kan spontant tunnelere til den anden struktur. Mængden af ​​tid, der kræves for, at denne tunneling finder sted, er indkodet i energiniveaumønsteret. Hvis barrieren mellem de to strukturer er høj, tunneleringstiden er lang. Under visse omstændigheder, såsom anvendelse af et stærkt elektrisk felt, tunneling mellem de regulære og omvendte strukturer kan undertrykkes.

For ammoniak, udsættelse for et stærkt elektrisk felt sænker energien i en struktur og hæver energien i den anden (omvendte) struktur. Som resultat, alle ammoniakmolekylerne kan findes i den lavere energitilstand. Forskerne demonstrerede dette ved at skabe en lagdelt argon-ammoniak-argon-struktur ved 10 kelvin. Argon er en inert gas, som er fast ved 10 K, men ammoniakmolekylerne kan rotere frit i argonfaststoffet. Når det elektriske felt øges, ammoniakmolekylernes energitilstande ændrer sig på en sådan måde, at sandsynligheden for at finde molekylerne i normal og inverteret tilstand bliver mere og mere langt fra hinanden, og tunneling kan ikke længere forekomme.

Denne effekt er fuldstændig reversibel og ikke-destruktiv:Efterhånden som det elektriske felt mindskes, ammoniakmolekylerne vender tilbage til deres normale tilstand, hvor de er samtidigt i begge brønde.

Sænkning af barriererne

For mange molekyler, barrieren for tunneling er så høj, at tunneling aldrig ville ske i universets levetid, Field siger. Imidlertid, der er andre molekyler end ammoniak, der kan induceres til tunnel ved omhyggelig tuning af det påførte elektriske felt. Hans kolleger arbejder nu på at udnytte denne tilgang med nogle af disse molekyler.

"Ammoniak er speciel på grund af dens høje symmetri og det faktum, at det sandsynligvis er det første eksempel, nogen nogensinde ville diskutere ud fra et kemisk synspunkt om tunneling, " siger Field. "Men, der er mange eksempler, hvor dette kunne udnyttes. Det elektriske felt, fordi den er så stor, er i stand til at virke på samme skala som de faktiske kemiske interaktioner, "tilbyder en kraftfuld måde til eksternt at manipulere molekylær dynamik.