Jednym z najbardziej zaskakujących i sprzecznych z intuicją zjawisk odkrytych od czasu pojawienia się mechaniki kwantowej jest „tunelowanie kwantowe”.

Tunelowanie kwantowe demonstruje zdolność cząstki do pokonania bariery, której w fizyce klasycznej nie mogła, ponieważ nie ma potrzebnej do tego energii. Zjawisko to wynika z zasady nieoznaczoności Heisenberga, która w prostych słowach stwierdza, że ​​prędkość i położenie układu kwantowego nie mogą być dokładnie znane w tym samym czasie.

Opisanie cząstki jako fali prawdopodobieństwa oznacza, że ​​zawsze istnieje małe prawdopodobieństwo, że cząstka może pojawić się po drugiej stronie bariery nie do pokonania. Kiedy tak się dzieje, nie przeskoczył bariery, ale przeszedł przez nią tunel kwantowy, który w przeciwieństwie do tradycyjnego tunelowania nie ma wpływu na samą barierę.

Jako analogię wyobraź sobie dziecko rzucające piłką w wysoką ścianę. Dziecko nie ma siły, by usunąć ścianę, a mimo to kulka wciąż znajduje się w nagrodzonych petuniach sąsiadów. Piłka nie została dodatkowo wzmocniona przez wiatr i nie ma dziur w ścianie, przez które piłka mogłaby się prześlizgnąć, po prostu pojawiła się po drugiej stronie ściany.

Może się to wydawać ezoteryczne, ale tunelowanie kwantowe jest niezbędne do istnienia życia. Procesy syntezy termojądrowej, które zasilają Słońce, jak również każdą inną gwiazdę we Wszechświecie, nie byłyby możliwe, gdyby jądra wodoru nie mogły go wykorzystać do pokonania odpychania elektromagnetycznego, które je oddziela. Bez tunelowania kwantowego i bez światła gwiazd, wszechświat byłby bez niego zimnym, ciemnym i pustym miejscem.

Ten sprzeczny z intuicją aspekt natury w małej skali ma wiele zastosowań w fizyce, chemii i technologii, takich jak półprzewodniki i obliczenia kwantowe.

Oprócz tego zrozumienie tunelowania kwantowego może również pomóc w opracowaniu nowych materiałów i technologii opartych na zasadach mechaniki kwantowej. Może być nawet stosowany w medycynie podczas terapii przeciwnowotworowej, w której wykorzystuje się to zjawisko do wysyłania leków do docelowych komórek nowotworowych.

Eksperymentowanie z tunelowaniem kwantowym

Nic dziwnego, że naukowcy intensywnie pracują nad lepszym zrozumieniem tunelowania kwantowego. Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nauki przyrodnicze przez naukowców z Wydziału Dynamiki Powierzchni w Instytucie Nauk Multidyscyplinarnych im. Maxa Plancka, w tym Aleca Wodtke i Dirka Schwarzera, bada formę tego zjawiska kwantowego zwaną tunelowaniem w fazie skondensowanej wzmocnionym rezonansem.

„W fazie skondensowanej cząsteczki reagentów znajdują się w studniach potencjału oddzielonych barierami. W przypadku układów kwantowych cząstek związanych istnieją tylko pewne dyskretne stany energetyczne. Jeśli dwa stany w sąsiednich studniach potencjału mają taką samą energię, nazywa się to rezonansem. powiedział Szwarzer. „Podczas gdy zjawisko tunelowania rezonansowego jest dobrze znane w przypadku przenoszenia elektronów przez bariery w strukturach studni kwantowych, nigdy wcześniej nie zaobserwowano go w przypadku ciężkich cząstek w reakcji chemicznej w fazie skondensowanej”.

Naukowcy zbadali izomeryzację orientacyjną — transformację konformacji cząsteczki — cząsteczki tlenku węgla (CO) związanej z powierzchnią kryształu chlorku sodu (NaCl).

Tunelowanie kwantowe jest definiowane przez prawdopodobieństwo znalezienia cząstki po przeciwnej stronie bariery. Podczas swoich eksperymentów zespół odkrył, całkiem przypadkowo, że prawdopodobieństwo to jest zwiększone w przypadku systemów w rezonansie (w fazie względem siebie) w porównaniu z systemami, które nie są w rezonansie. Odkryli też coś jeszcze, coś zaskakującego.

„W najbardziej stabilnej konfiguracji cząsteczka CO jest związana atomem węgla z Na⁺ jon na powierzchni. Odkryliśmy, że istnieje również metastabilna odwrócona konfiguracja z tlenem związanym z Na⁺ jonów” – powiedział Schwarzer. „Nauczyliśmy się przygotowywać stan do góry nogami i mierzyliśmy szybkość reakcji odwracania wstecz w zależności od temperatury, a co najważniejsze, różnicowaliśmy masę reagentów poprzez wymianę izotopową [the replacement of the lighter carbon atom ¹²C by the heavier isotope ¹³C, or replacement of the lighter oxygen atom ¹⁶O by the heavier isotope ¹⁸O, or both]”.

Dodał, że szybkość reakcji zmierzona przez zespół wykazała nieoczekiwanie silną i nieintuicyjną zależność od masy, którą można wytłumaczyć jedynie zakładając tunelowanie rezonansowe. Ale dlaczego to jest zaskakujące?

Ucieczka ze studni kwantowej

Fale związane z cząstkami, zwane falami de Broglie’a, zwiększają swój rozmiar wraz ze spadkiem masy cząstek. Dlatego przedmioty codziennego użytku nie wykazują kwantowych, falowych zachowań; ich masa jest zbyt duża, a ich fale de Broglie są zbyt małe.

Wyobraź sobie ponownie piłkę rzuconą przez dziecko bez energii potrzebnej do pokonania wysokości ściany. Nie może tunelować kwantowo na drugą stronę, ponieważ jego masa tworzy falę prawdopodobieństwa zbyt małą, aby istniało jakiekolwiek prawdopodobieństwo, że znajdzie się po drugiej stronie bariery. Powszechne teorie kwantowe przewidują, że im mniejsza masa cząstki, tym większa fala de Broglie’a i tym większe prawdopodobieństwo tunelowania cząstki przez barierę kwantową.

Oznacza to, że gdy masz dużo lżejszych cząstek i dużo cięższych cząstek oraz barierę kwantową, obie będą tunelować, ale lżejsze cząstki powinny tunelować kwantowo szybciej niż ciężkie cząstki. Ale Schwarzer i współpracownicy odkryli, że związek między tunelowaniem kwantowym jest bardziej chaotyczny niż wcześniej sądzono.

„W naszych badaniach nieoczekiwanie znaleźliśmy przykłady, w których szybkość tunelowania wzrosła, gdy masa została zwiększona przez podstawienie izotopowe” – powiedział Schwarzer. „Ta obserwacja wyraźnie wskazuje na rezonans tunelowy, którego występowanie zależy od masy w nieregularny sposób”.

Zespół zamierza teraz zastosować to, czego się nauczył, do tego, jak tunelowanie zachodzi w materiale w zimnym kosmosie, w szczególności do obłoków gazu i pyłu, które istnieją między gwiazdami i ich potencjału do tworzenia złożonych cząsteczek poprzez tunelowanie kwantowe.

„Jest to szczególnie istotne w przypadku reakcji chemicznych zachodzących w zimnych obłokach międzygwiazdowych, gdzie temperatury [and thus energy] są tak niskie, że procesy „ponad barierą” są tłumione, a uważa się, że wiele reakcji jest całkowicie determinowanych przez tunelowanie kwantowe” – wyjaśnił Schwarzer.

Jeszcze przed tym zastosowaniem badanie pokazuje, jak daleko zaszły badania kwantowe od ich początków i jak nadal dostarczają niespodzianek.

„Myślę, że chociaż twórcy mechaniki kwantowej opracowali już podstawowe teorie tunelowania i mieli jasne wyobrażenia o koncepcjach takich jak wzmocnienie rezonansu, z pewnością nie mogli sobie wyobrazić, jak ważna stanie się ta dziedzina w technologii i nauce” – powiedział Schwarzer. „Byliby zdumieni i podekscytowani wyrafinowanymi technikami używanymi obecnie do badania podstaw mechaniki kwantowej”.

Bibliografia: AM Wodtke., et al., Manipulowanie bramkami tunelowymi w izomeryzacji w fazie skondensowanej, Nauki przyrodnicze (2023). DOI: 10.1002/ntls.20230006

Źródło obrazu: Milad Fakurian na Unsplash