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[!--downpath--]量子力學(xué)允許粒子突破能量屏障（墻壁）并因其波動性質(zhì)而發(fā)生反應(yīng)。圖片來源：奧地利因斯布魯克大學(xué)
科技日報記者 張家欣
在經(jīng)典物理學(xué)的世界里，從山的一邊到另一邊，只需要消耗體力翻越山峰。 但在量子物理的世界里，有一種“穿墻”，就是量子隧道效應(yīng)。 奧地利因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家首次通過實驗觀察到這種效應(yīng)，這是迄今為止觀察到的最慢的帶電粒子反應(yīng)。 相關(guān)研究論文發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
研究小組試圖通過一個非常簡單的反應(yīng)來追蹤量子力學(xué)隧道效應(yīng)。 該團(tuán)隊選擇氫氣進(jìn)行實驗，將氘（氫的同位素）引入離子陷阱，使其冷卻，然后用氫氣填充離子陷阱。 由于溫度很低，帶負(fù)電的氘離子缺乏以傳統(tǒng)方式與氫分子反應(yīng)的能量。 然而，在極少數(shù)情況下，當(dāng)兩者碰撞時，確實會發(fā)生反應(yīng)。
這是由隧道效應(yīng)引起的。 研究第一作者羅伯特·懷爾德解釋說，在量子力學(xué)中，粒子具有波動特性量子隧穿效應(yīng)，這使得它們能夠突破能量障礙并發(fā)生反應(yīng)。 “在實驗中，我們在量子阱中進(jìn)行了大約 15 分鐘的可能反應(yīng)，然后確定了形成的氫離子的數(shù)量。根據(jù)氫離子的數(shù)量，我們可以推斷出反應(yīng)發(fā)生的頻率。”
2018年，理論物理學(xué)家計算出，在這個系統(tǒng)中，每1000億次碰撞中，量子隧道效應(yīng)僅發(fā)生一次。 這與現(xiàn)在科學(xué)家測量的結(jié)果非常吻合。 經(jīng)過多年的研究，研究人員首次證實了化學(xué)反應(yīng)中隧道效應(yīng)的準(zhǔn)確理論模型。
在此基礎(chǔ)上，研究人員可以開發(fā)更簡單的化學(xué)反應(yīng)理論模型，并已成功對其進(jìn)行了測試。 隧道效應(yīng)可以用于掃描隧道顯微鏡和閃存量子隧穿效應(yīng)，也可以用來解釋原子核的α衰變，還可以解釋星際暗云中分子的一些天體化學(xué)合成。 考慮到這一點，該團(tuán)隊的實驗為更好地理解許多化學(xué)反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。
主編圈子
量子隧道效應(yīng)可以比作穿越山脈的魔力。 這在經(jīng)典力學(xué)中，即在宏觀世界中是不可能發(fā)生的，但在用量子力學(xué)理論描述微觀粒子世界時卻是有效的。 簡而言之，微觀粒子可以穿透或穿過看似無法穿透的墻壁。 對這一事件的描述將極大地促進(jìn)諾貝爾獎級技術(shù)——掃描隧道顯微鏡的發(fā)展，該顯微鏡將利用量子隧道效應(yīng)來更精確地定位和觀察單個原子。
