Фото © Max Planck Institute for Quantum Optics
Физики эмпирически впервые подтвердили наличие квантового туннельного эффекта в химических реакциях. Об этом говорится в статье ученых из Института физики ионов и прикладной физики Университета Иннсбрука в Австрии. Они экспериментально проверили, что запрещенные с точки зрения классической физики химические превращения могут происходить за счет квантовых эффектов.
Представим себе, что перед нами - забор. Его можно перепрыгнуть, если у нас достаточно энергии. Это - классическая физика. Однако все удивятся, если вы (или элементарная частица), не имея энергии для прыжка через забор, мгновенно окажетесь по ту его сторону. В таком случае говорят о квантовом туннелировании. Интуитивно понять его можно так: в квантовом мире все объекты “размазаны” - мы говорим не о положении частицы или ее скорости, но о ее волновой функции, которая позволяет вычислить вероятность обнаружить частицу. Вероятность найти частицу за забором не равна нулю, поэтому рано или поздно мы ее там обязательно найдем.
Явление туннелирования теоретически известно уже около ста лет. Важным достижением туннельного эффекта стало правильное объяснение процессов альфа-распада в ядерной физике. Но в химических реакциях с ионами явление туннелирования еще никогда не наблюдались. В макроскопическом мире, как правило, наблюдать квантовые свойства объектов напрямую невозможно. Тем значимее каждое новое наблюдение, когда классическая физика “сталкивается” с квантовой.
Команда австрийских ученых во главе с Роландом Вестером проделала это на примере химической реакции, в которой отрицательный ион дейтерия реагирует с молекулой водорода, образуя отрицательный ион водорода и молекулу “дейтерий-водород”. (Напомним, что дейтерий - это атом ”тяжелого водорода”, состоящий из одного протона и одного нейтрона). Классически такая реакция запрещена при тех температурах, при которых исследователи пытались ее проводить. Однако за счет туннельного эффекта дейтерий с атомом водорода могут поменяться местами.
Данная реакция была выбрана для изучения по двум причинам. Во-первых, это одна из простейших для теоретического расчета химических реакций, в которых можно ждать туннелирования. Во-вторых, водород - самый распространенный элемент во Вселенной, и даже если реакция за счет туннелирования идет с очень маленькой скоростью, на космических масштабах мы заметим ее последствия например в облаках холодного межзвездного газа.
Чтобы проверить, в самом ли деле классически неосуществимая реакция возможна благодаря квантовым явлениям, физики ловили и охлаждали в криогенной радиочастотной ловушке ионы дейтерия, смешивали с молекулярным водородом при температуре 15 Кельвин (это минус 258 градусов Цельсия) и ждали. Полученные продукты реакции исследовались на времяпролетном масс-анализаторе (этот прибор, разгоняя ионы электрическим полем, позволяет по их скорости определить отношение массы иона к его заряду). На графике времяпролетного масс-спектра заметен маленький пик, соответствующий отрицательным ионам обычного водорода. Это означает, что “запрещенная” реакция имела место. После ожидания 1000 секунд, ученые сумели заставить прореагировать около 1% ионов; отсюда следует, что при столкновении с молекулой водорода реагирует каждый стомиллиардный ион дейтерия. Это в точности соответствовало расчетам, произведенным на основе туннельного эффекта.