Химики наблюдают ‘жуткий’ квантового туннелирования

Молекула аммиака NH3, который, как правило, существует в форме зонтика, с тремя атомами водорода веером в расположении неплоская вокруг центрального атома азота. Этот зонтик структура очень стабильна и обычно ожидается, что они требуют большое количество энергии, чтобы быть перевернутым.

Однако, квантово-механический феномен, называемый туннельный позволяет аммиак и другие молекулы, чтобы одновременно населяют геометрические структуры, которые отделены запредельно высокий энергетический барьер. Группа химиков, которая включает поле Роберт, Роберт Т. Хаслам и Брэдли Дьюи профессор химии Массачусетского технологического института, изучили этот феномен с помощью очень большого электрического поля для подавления одновременный захват молекул аммиака в нормальном и перевернутом состояниях.

«Это прекрасный пример явления туннелирования, и он раскрывается великолепным странности квантовой механики», — говорит Полевой, который является одним из старших авторов исследования.

Хон Кан, профессор химии в Национальном университете Сеула, также старший автор исследования, которое появится на этой неделе в Трудах Национальной академии наук. Парк Youngwook и Хани Канг Сеульского национального университета также авторов статьи.

Подавляя инверсии

Эксперименты, проведенные в Национальном университете Сеула, были включены новый метод исследователей для нанесения очень большой напряженности электрического поля (до 200,000,000 вольтах на метр) в образец, зажатый между двумя электродами. Эта сборка является всего несколько сотен нанометров толщиной, и электрического поля создает силы так сильны, как взаимодействие между соседними молекулами.

«Мы можем применить эти огромные поля, которые почти такой же величины, как поля, двух молекул опыт, когда они приближаются друг к другу», — говорит Полевой. «Это означает, что мы используем внешние средства для того, чтобы работать на равных с тем, что молекулы могут сделать сами.»

Это позволило исследователям изучить квантового туннелирования, это явление часто используется в курсы химии, чтобы продемонстрировать один из «spookinesses» квантовой механики, утверждает полевой.

В качестве аналогии, представьте, что вы идете в поход в долину. Чтобы добраться до следующей долину, нужно подняться на большую гору, которая требует много работы. Теперь представьте, что вы могли бы прорыть туннель через горы, чтобы добраться до соседней долины, не имея никаких реальных усилий. Это то, что квантовая механика позволяет, при определенных условиях. В самом деле, если две долины имеют точно такую же форму, вы бы одновременно находится в обеих долинах.

В случае аммиака, первые долина является низким уровнем энергии, стабильный эгидой государства. Для молекулы, чтобы добраться до другой долины — перевернутое государство, которое точно так же низким уровнем энергии-в классическом его должны подняться на очень высокое энергетическое состояние. Однако, существует квантово-механически, изолированная молекула с равной вероятностью в обе долины.

В рамках квантовой механики, возможными состояниями молекулы, такие как аммиак, описываются в терминах характерный узор энергетический уровень. Молекула изначально существует в любом обычном или перевернутом структура, но она может спонтанно туннель в другую структуру. Количество времени, необходимое для того, что туннелирование происходит кодируется в структуре энергетического уровня. Если барьер между двумя структурами является высокой, туннельный давно. При определенных обстоятельствах, например, при применении сильного электрического поля, туннелирование между обычной и перевернутой структуры могут быть подавлены.

Для аммиака, воздействие сильного электрического поля понижает энергию одной структуры и поднимает энергию другого (перевернутый) структуры. В результате все молекулы аммиака может быть найден в более низкое энергетическое состояние. Исследователи продемонстрировали это, создав многослойный аргонно-аммиака и аргона структуры на 10 кельвинов. Аргон-это инертный газ, который является твердым при 10 K, но молекулы аммиака может свободно вращаться в среде аргона сплошной. Как электрического поля возрастает, энергия положения изменения аммиака молекулы таким образом, что вероятности нахождения молекулы в нормальном и перевернутом государства становятся все более далеки друг от друга, а туннелирование может больше не произойти.

Этот эффект является полностью обратимым и без разрушения: так как электрическое поле уменьшается, молекулы аммиака возвращаются в свое нормальное состояние, когда одновременно в обе скважины.

Снижение барьеров

Для многих молекул, барьер для туннелирования настолько велика, что туннельный никогда бы не случилось в жизни Вселенной, — говорит поля. Однако есть молекулы, чем аммиак, который может быть привлечен к тоннелю путем тщательной настройки из приложенного электрического поля. Его коллеги сейчас работают на использовании этого подхода с некоторыми из этих молекул.

«Аммиак является особенным из-за его высокой симметрией и тем, что это, наверное, первый пример кто-нибудь когда-нибудь обсуждал с химической точки зрения туннельный», — говорит Полевой. «Однако, есть много примеров, где это может использоваться. Электрическое поле, потому что он настолько велик, что способен действовать в таком же масштабе как собственно химического взаимодействия,» предлагая эффективный способ внешнего манипулирования молекулярной динамики.

Исследование финансировалось Samsung Наука и технологии фонда и Национального научного фонда.

сделать разницу: спонсорские возможности