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Nature：首次证实化学反应中的量子隧穿效应

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发布时间：2023-03-03

 

3月1日，因斯布鲁克大学离子物理与应用物理系的Roland Wester教授及其团队在Nature上发表文章，称其在低温离子阱中测量了氢分子与氘阴离子的量子隧穿反应速率，测量值与理论值一致，首次实验证实了化学反应中量子隧穿效应理论模型的准确性。
 

 

 
无论是在气相反应、表面扩散还是液相化学中，量子隧穿效应在化学中都发挥着重要作用。考虑到量子动力学的高维性，此类隧穿反应在理论上难以计算，并且也很难通过实验识别。化学家常忽略量子效应，用经典模型描述反应过程，但这种只能提供近似值的经典描述不可避免存在局限性。
 
隧穿效应虽然能使反应发生，但反应效率很低，反应缓慢，因此实验观察异常困难。Roland Wester教授长期以来一直想探索这一前沿领域。“15 年前，我在美国的一次会议上与一位同事交谈时想到了这个想法，”Wester回忆道。他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧穿效应。
 

量子力学允许粒子因其量子力学波动特性突破能量屏障而发生反应
 
经过多次尝试，最终Roland Wester团队选择氢——宇宙中最简单的元素——作为他们的实验对象。他们将氘（一种氢的同位素）引入离子阱，将其冷却，然后用氢气填充离子阱。由于温度非常低，带负电的氘离子在经典条件下无法与氢分子反应。然而，在量子隧穿效应下，两者可以以极低的概率碰撞并发生反应。
 
“量子力学允许粒子由于其量子力学波特性而突破能量屏障，并发生反应，”该研究的第一作者 Robert Wild解释说。“在实验中，我们给出了离子阱中大约 15 分钟的可能反应时间，然后测量形成的氢离子量。从它们的数量，我们可以推断出反应发生的频率。”
 

 

 

 
如上图所示，在含氘阴离子（D-）的低温离子阱中，科研人员逐步填入氢气（H2），并在量子隧穿效应下发生反应。随后，科研人员测量数量。在氢气密度较小时，H-数量线性增加，研究人员认为高密度氢气下测量值的线性偏离与离子阱的加热动力学有关。经数据拟合，最终测量到（5.2±1.6）的极低反应速率。
 
2018 年，理论物理学家计算出，在这个系统中，每千亿次碰撞中只有一次发生量子隧穿，这与Wester团队的实验结果非常吻合。经过 15 年的研究，化学反应中量子隧穿效应理论模型的精确性被首次证实。
 

 
Wester团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。在此研究基础上，可以开发更简单的化学反应理论模型，并在现已成功证明的反应上对其进行测试。量子隧穿效也被应用于例如扫描隧道显微镜和原子钟中，同时也被用来解释原子核的α衰变。通过隧穿效应，也可以解释星际乌云中分子的一些化学合成。
 
该研究得到了奥地利科学基金FWF和欧盟等机构的资助。
 

 

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