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科學(xué)家首次觀察到量子隧穿效應(yīng)

發(fā)布時間:2023-03-02 10:13:00來源: 科技日報

  量子物理世界存在“穿墻術(shù)”

  科學(xué)家首次觀察到量子隧穿效應(yīng)

  科技日報北京3月1日電 (記者張佳欣)在經(jīng)典物理世界中,從一座大山的這邊穿到那邊,只能消耗體力翻山越嶺。但在量子物理世界里,有一種“穿墻術(shù)”存在,這就是量子隧穿效應(yīng)。奧地利因斯布魯克大學(xué)物理學(xué)家首次在實驗中觀察到了這種效應(yīng),這是有史以來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。

  研究團隊此次試圖在一個非常簡單的反應(yīng)中追蹤量子力學(xué)隧穿效應(yīng)。團隊選擇了氫來進行實驗,他們將氘(氫的同位素)引入一個離子阱,使其冷卻,然后用氫氣填充離子阱。由于溫度非常低,帶負電的氘離子缺乏以常規(guī)方式與氫分子反應(yīng)的能量。然而,在極少數(shù)情況下,當兩者發(fā)生碰撞時,確實會發(fā)生反應(yīng)。

  這是由隧穿效應(yīng)引起的。研究第一作者羅伯特·懷爾德解釋說,量子力學(xué)中,粒子具有波動性,這使其可以突破能量障礙并發(fā)生反應(yīng)?!霸趯嶒炛?,我們給量子阱中可能發(fā)生的反應(yīng)大約15分鐘的時間,然后確定形成的氫離子數(shù)量。從它們的數(shù)量中,我們可以推斷出反應(yīng)發(fā)生的頻率?!?/p>

  2018年,理論物理學(xué)家計算出,在這個系統(tǒng)中,每千億次碰撞中只有一次發(fā)生量子隧穿。這與現(xiàn)在科學(xué)家測量的結(jié)果非常吻合,經(jīng)過多年研究,研究人員首次證實了化學(xué)反應(yīng)中隧穿效應(yīng)的精確理論模型。

  在此基礎(chǔ)上,研究人員可以開發(fā)出更簡單的化學(xué)反應(yīng)理論模型,并已成功進行測試。隧穿效應(yīng)可被用于掃描隧道顯微鏡和閃存中,也可用以解釋原子核的阿爾法衰變,還可解釋星際暗云中分子的一些天體化學(xué)合成。鑒于此,團隊的實驗為更好地理解許多化學(xué)反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

  【總編輯圈點】

  量子隧穿效應(yīng)可比穿山法術(shù),其在經(jīng)典力學(xué)也就是宏觀世界里不可能發(fā)生,但使用量子力學(xué)理論描述微觀粒子世界時,它卻有效。簡單來說,微觀粒子可以穿入或穿越看似不可穿越的高墻。而此次對這一事件的描述,將對諾獎級技術(shù)——掃描隧道顯微鏡發(fā)展有極大助力,其將利用量子隧穿效應(yīng)更為精確的定位和觀察單個原子。

(責(zé)編:陳濛濛)

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