这种分子让化学家目睹了幽灵般的量子隧穿

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  氨,是有一种非常很糙的分子。通常情形下,氨分子(NH₃)的形态像是一把雨伞,另另一个 氢原子(H)围绕另另一个 氮原子(N)以不地处同一平面的形式展开。对分子来说,你这俩 伞状形态非常稳定,都里能 少许的能量都里能 逆转其几何形态。
○伞状的氨分子。| 图片来源:Chelsea Turner/MIT

  然而,有一种叫兰隧穿效应的量子力学那些的什么的问题还都里能 允许氨分子,以及但会 但会 分子共同地处由很高的能垒所隔开的几何形态中。在物理学中,这指的是像电子等微观粒子都里能 穿越层厚比粒子有一种总能量更高的位势垒的那些的什么的问题。你这俩 那些的什么的问题在大学的化学课程也常被讨论,用它来彰显量子力学中如“幽灵 ”一般的效应。

  2。

  在一项新的研究中,另另一个 化学家团队进行了那我一项实验,我们 将另另一个 最高可高达2亿伏每米的超强电场施加到了夹在另另一个 电极之间的氨分子样本上。那我另另一个 电极加样本的装置越来越几百纳米厚。越来越强的电场能产生几乎与另另一个 相邻分子间的相互作用一样强的力。

  氨分子的特殊之地处于它具有层厚的对称性,利用施加组织组织结构电场,研究人员得以探索量子隧穿效应。氨分子也或许是首另一方们 从化学层厚讨论隧穿效应的例子。

  这里的隧穿具体是那些意思呢?我们 还都里能 用另另一个 比拟来解释。假设你在另另一个 山谷里徒步旅行,若无需到达下另另一个 山谷,你都里能 翻过头上的一座大山,这都里能 你做很的多功,它对应于我们 在文首提到的——在通常情形下,将伞状形态的氨分子逆转都里能 耗费很大的能量。现在,想象一下,你的头上有了另另一个 隧道,通过你这俩 隧道还都里能 让我不费哪多少力气就直接穿过这座大山,抵达下另另一个 山谷——这在一定条件的量子力学中是还都里能 被允许的。事实上,机会另另一个 “山谷”的形态完整版相同,越来越你就会共同地处另另一个 山谷之中。

  以氨分子为例,第另另一个 “山谷”也不低能、稳定的雨伞情形;它的那我“山谷”,便是具有完整版相同能量的反向情形。若要让氨分子到达那我“山谷”,从经典力学的层厚来说,这都里能 将分子的能量提升到另另一个 非常高的情形。然而量子力学却能无需这俩 孤立的分子以相同的概率地处另另一个 “山谷”之中。

  在量子力学中,如氨分子等但会 分子的机会情形还都里能 用有一种特殊的能级模式来描述。一结束了了了,分子地处正常形态或反向形态,但它还都里能 自发地地处隧穿,而转加带另有一种形态。隧穿地处所需的时间由能级模式决定。有一种几何形态之间的能垒越高,隧穿所需的时间就越长。在但会 特定情形下,施加以强电场就还都里能 抑制正常形态和反向形态之间的隧穿。

  对于氨,暴露在那我的强电场中会使得其中另另一个 几何形态的能量降低,那我(反向)形态的能量升高。越来越一来,所有的氨分子都地处低能情形。为了展示你这俩 点,研究人员在低温情形下(10开尔文)创造了另另一个 分层的氩-氨-氩形态。氩是有一种惰性二氧化碳气体,在温度为10K时是固态的,但氨分子在固态氩中还都里能 自由旋转。随着电场的增强,氨分子的能态会地处变化,你这俩 变化会使得氨分子地处正常情形和反向情形的概率相差越来越远,从而不再老出 隧穿那些的什么的问题。

  通过施加强电场而产生的你这俩 效应是完整版可逆且无需造成损害的:当电场减弱时,氨分子又还都里能 回到正常情形,并共同地处另另一个 势阱之中。

  3。

  研究人员认为,除了氨分子之外,那我的例子应该还还都里能 有过多。也不对但会 分子来说,隧穿的能垒非常之高,以致于在宇宙的生命周期中永远无需自发地地处隧穿。然而,但会 分子都还都里能 通过仔细调节外加的电场数率来诱导隧穿的产生。现在,研究人员正致力于利用你这俩 办法来研究除了氨分子之外的但会 但会 分子。

  新的研究办法描述了我们 在掌控分子和控制其基本动力学能力方面的另另一个 新兴前沿。它采用了非常独特的实验办法,这对未来研究分子形态和动力学具有重大意义。假若它的应用也为理解隧道那些的什么的问题的本质也提供了更基本的见解。