Το περίεργο φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας έχει παρατηρηθεί σε μια χημική αντίδραση που αψηφά την κλασική φυσική
4 Απριλίου 2023
Photos sakkmesterke/Alamy Stock Photo
Μια χημική αντίδραση μοιάζει λίγο με το ταξίδι από τη Βιέννη στη Βενετία: ο προορισμός σας μπορεί να είναι κατηφορικός, αλλά για να φτάσετε εκεί, θα χρειαστεί να διασχίσετε τις Άλπεις. Μπορείτε να σκεφτείτε τις ενεργειακές αλλαγές που πρέπει να περάσουν τα μόρια απο ένα τοπίο. Μεταξύ της αρχής και του τέλους μιας αντίδρασης, αυτό το έδαφος μπορεί μερικές φορές να είναι τόσο λοφώδες που κατά τα άλλα ευνοϊκές αντιδράσεις να μην συμβαίνουν καθόλου, εάν τα μόρια δεν έχουν την απαιτούμενη ενέργεια για να συγκρουστούν. Ωστόσο, σε ορισμένες από αυτές τις περιπτώσεις, τέτοιες αντιδράσεις συμβαίνουν, χάρη στην κβαντική σήραγγα (1), η οποία επιτρέπει στα σωματίδια να διαπερνούν περιστασιακά ενεργειακά εμπόδια που δεν θα μπορούσαν ποτέ να διαπεράσουν. Αυτή η παράξενη συμπεριφορά δεν επιτρέπεται στην παραδοσιακή φυσική, αλλά επιτρέπεται σύμφωνα με τους άγριους κανόνες της κβαντικής μηχανικής.
Τώρα, σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature, οι επιστήμονες κατάφεραν να εντοπίσουν την κβαντική σήραγγα σε αυτό που η κλασική φυσική θα θεωρούσε μια αδύνατη αντίδραση μεταξύ μορίων υδρογόνου και ιόντων δευτερίου(2)– βαριές, φορτισμένες εκδόσεις υδρογόνου. Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι ερευνητές κατάφεραν να επιβεβαιώσουν πειραματικά μια θεωρητική πρόβλεψη σχετικά με τον ρυθμό διάνοιξης σήραγγας σε μια αντίδραση που περιλαμβάνει ιόντα. «Η κβαντική μηχανική στη θεωρία θα πρέπει να είναι σε θέση να προβλέψει αυτόν τον [ρυθμό] πολύ καλά», λέει ο φυσικός Stephan Schlemmer από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας στη Γερμανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Αλλά κανείς δεν ήταν σίγουρος αν αυτό ήταν πραγματικά αλήθεια».
Η ιδέα ότι ένα σωματίδιο θα μπορούσε απλώς να εμφανιστεί στην άλλη πλευρά ενός ενεργειακού φραγμού ανάγεται στον Γερμανό φυσικό Φρίντριχ Χουντ. Το 1927, ενώ ερευνούσε πώς αλληλεπιδρούν τα μόρια με το φως, ανακάλυψε ότι η διάνοιξη σήραγγας θα έπρεπε να είναι θεωρητικά δυνατή.
Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα σωματίδια μοιάζουν περισσότερο με σύννεφα πιθανοτήτων παρά με στερεές σφαίρες. Αυτά τα σύννεφα πιθανοτήτων, που αντιπροσωπεύουν τη θέση ενός σωματιδίου, εκτείνονται στο άπειρο. Έτσι, αν και είναι εξαιρετικά απίθανο, ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί θεωρητικά να εμφανιστεί οπουδήποτε, συμπεριλαμβανομένης της άλλης πλευράς ενός ενεργειακού φραγμού που ένα κλασικό σωματίδιο δεν θα μπορούσε ποτέ να διασχίσει.
Το 1928 η σήραγγα γνώρισε ίσως τον μεγαλύτερο από τους πρώτους θριάμβους της: εξηγώντας την πυρηνική άλφα διάσπαση, έναν κοινό τύπο ραδιενεργού διάσπασης κατά την οποία οι ατομικοί πυρήνες δημιουργούν «σωματίδια άλφα» -πυρήνες ηλίου με δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια- και μεταμορφώνονται σε μικρότερους πυρήνες κατά τη διαδικασία.
Αυτό συμβαίνει όταν τρία άτομα ενός μορίου υδρογόνου και του ιόντος δευτερίου πλησιάζουν το ένα το άλλο σε μια γραμμή, και ένα άτομο υδρογόνου ανεβαίνει ενεργειακή στάθμη για να συνδεθεί με το δευτέριο. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυτή η αντίδραση θα πρέπει να είναι αδύνατη, αλλά λειτουργεί με τη διάνοιξη σήραγγας.
Από τότε οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει τη δημιουργία σήραγγας για να εξηγήσουν το κατά τα άλλα ανεξήγητο σε περιβάλλοντα που κυμαίνονται από τους ημιαγωγούς έως την καρδιά των αστεριών.
Αλλά παρόλο που η ιδέα πίσω από την κβαντική σήραγγα είναι, πλέον, σχεδόν ενός αιώνα παλιά, η συνένωση θεωρίας και πειράματος για την παρατήρηση της σήραγγας σε χημικές αντιδράσεις έχει αποδειχθεί δύσκολη.
Πρώτον, η κβαντική σήραγγα είναι αρκετά σπάνια ώστε οι αντιδράσεις που εξαρτώνται από αυτήν να είναι συνήθως παγερά αργές, καθιστώντας τες δύσκολες στην παρακολούθηση στο εργαστήριο. Και μετά υπάρχουν οι ίδιοι οι θεωρητικοί υπολογισμοί, οι οποίοι περιλαμβάνουν μαθηματικά τόσο περίπλοκα που οι επιστήμονες μπορούν να προβλέψουν τους ρυθμούς αντίδρασης διάνοιξης σήραγγας μόνο για τις πιο απλές αντιδράσεις.
«Με [αντιδράσεις μεταξύ] τριών ατόμων, μπορείτε να το κάνετε», λέει ο μοριακός φυσικός Roland Wester από το Πανεπιστήμιο του Innsbruck στην Αυστρία, ο οποίος συνέγραψε τη νέα μελέτη. «Με τέσσερα άτομα, υπάρχουν μερικές ομάδες που μπορούν να το χειριστούν. Και με πέντε άτομα, ουσιαστικά δεν υπάρχει κανένας στον κόσμο που να έχει τα μέσα να το κάνει πλήρως κβαντικά».
Η αντίδραση μεταξύ αερίου υδρογόνου και ιόντων δευτερίου είναι αρκετά απλή ώστε να είναι δυνατό να προβλεφθεί ο ρυθμός αντίδρασης μόνο με την κβαντομηχανική. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η ομάδα του Wester επέλεξε να μελετήσει αυτήν την αντίδραση: οι ερευνητές μπορούσαν πραγματικά να ελέγξουν τη θεωρία με την πράξη.
Στην αντίδραση, ένα μόριο αερίου υδρογόνου συγκρούεται με ένα ιόν δευτερίου για να παράγει ένα ιόν υδρογόνου και ένα βαρύ μόριο υδρογόνου που περιέχει δευτέριο.
Αλλά όταν ο θεωρητικός φυσικός Viatcheslav Kokoouline του Πανεπιστημίου της Κεντρικής Φλόριντα και οι συνάδελφοί του επεξεργάσθηκαν τους αριθμούς το 2018, προέβλεψαν έναν ρυθμό αντίδρασης που ήταν εκατοντάδες φορές χαμηλότερος από την εκτίμηση του ανώτατου ορίου που είχε προηγουμένως μετρηθεί από την ομάδα του Wester.
«[Τα αποτελέσματα] διαφωνούσαν τόσο πολύ με τα πειράματα, που δεν θέλαμε να τα δημοσιεύσουμε», λέει ο Kokoouline. Ανησυχώντας ότι είχαν κάνει λάθος, αυτός και οι συνάδελφοί του επανέλαβαν τον υπολογισμό τους χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές θεωρητικές μεθόδους και πήραν το ίδιο αποτέλεσμα. Ήταν σίγουρα πιθανό οι υπολογισμοί να ήταν λάθος, αλλά «κάναμε ό,τι μπορούσαμε, και αυτός είναι ο αριθμός που [θα μπορούσαμε] να δώσουμε», λέει ο πρώην μαθητής του Kokoouline, Isaac Yuen, ο οποίος είναι τώρα θεωρητικός φυσικός στο Kansas State University.
Το πρόβλημα ήταν ο εξαιρετικά αργός ρυθμός της αντίδρασης, ο οποίος χρειάστηκε στην ομάδα του Ίνσμπρουκ περίπου 15 χρόνια αντιμετώπισης προβλημάτων και επεξεργασίας για να μετρήσει τελικά με ακρίβεια.
Για να το κάνουν, οι ερευνητές παγίδευσαν ιόντα δευτερίου σε ένα κλουβί ηλεκτρικών πεδίων, τα εμβάπτυσαν ( flushed them) με αέριο υδρογόνο και έψυξαν τα πάντα σε εξαιρετικά ψυχρά επίπεδα 15 Κέλβιν.
Σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες, το υδρογόνο και το δευτέριο δεν είχαν την ενέργεια να αντιδράσουν χωρίς σήραγγα. Μετά από αναμονή περίπου 15 λεπτών, οι επιστήμονες μέτρησαν πόσα ιόντα υδρογόνου είχαν παραχθεί για να βρουν τον ρυθμό αντίδρασης.
Τα δεκαπέντε λεπτά δεν ακούγονται πολλά, αλλά για τις κλασικές αντιδράσεις, οι επιστήμονες συχνά λαμβάνουν μετρήσεις «για 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου και βλέπουν σχεδόν όλα τα ιόντα να μετατρέπονται σε νέα σωματίδια», λέει ο Wester. «Περιμέναμε 1.000 δευτερόλεπτα και λιγότερο από το 1% των ιόντων μετατράπηκε σε νέα σωματίδια.
Η διάνοιξη σήραγγας συνέβη μόνο περίπου μία στις 100 δισεκατομμύρια συγκρούσεις μεταξύ υδρογόνου και ιόντος δευτερίου, κάτι που συμφωνεί πολύ καλά με τους θεωρητικούς υπολογισμούς του Kokoouline και του Yuen. «Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι οι αριθμοί ταιριάζουν με τα πειράματα», λέει ο Yuen. «Αισθάνομαι, ως θεωρητικός, ότι είναι ένας μεγάλος θρίαμβος».
Οι αντιδράσεις διάνοιξης σήραγγας μεταξύ ιόντων όπως αυτή, πιστεύεται ότι είναι σημαντικές για τη χημική σύνθεση στη διάχυτη, διαστρική σούπα ιονισμένου αερίου που παρέχει την πρώτη ύλη για νέα συστήματα αστέρων. Επειδή το διαστρικό μέσο είναι τόσο ψυχρό, οι κλασικές αντιδράσεις είναι πολύ αργές, αλλά η δημιουργία σήραγγας είναι πιο πιθανή – τα σωματίδια κινούνται το ένα δίπλα στο άλλο πιο αργά σε χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που αυξάνει τις πιθανότητες διάνοιξης σήραγγας.
Εδώ στη Γη, η καταγραφή αυτού του μικροσκοπικού ρυθμού διάνοιξης σήραγγας για πρώτη φορά δείχνει ότι οι φυσικοί βρίσκονται στο σωστό δρόμο με τις κβαντικές μοριακές θεωρίες τους. Και παρέχει ένα σημείο αναφοράς για τη δοκιμή μελλοντικών θεωρητικών προσπαθειών για την ένωση της χημείας και της κβαντικής μηχανικής.
«[Στον] κανονικό μας κόσμο των κλασικών σωματιδίων, οι αντιδράσεις μπορούν να γίνουν κατανοητές με μερικές πολύ απλές έννοιες», λέει ο Schlemmer. «Αλλά αυτή η σήραγγα είναι απλώς ένας εντελώς διαφορετικός κόσμος. Και τέτοιες μετρήσεις μας ανοίγουν αυτόν τον κόσμο».
ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΣΥΓΓΡΑΦΕΑ
Η Elise Cutts είναι μια ανεξάρτητη επιστημονική δημοσιογράφος που καλύπτει τη γη και τις επιστήμες της ζωής.
ΕΠΕΞΗΓΗΣΕΙΣ
1.-Το φαινόμενο σήραγγας ή κβαντοσηράγγωση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένα κβαντικό σωματίδιο διασχίζει ένα φράγμα σωματιδίων, το οποίο φαίνεται πως είναι απίθανο να ξεπεραστεί. Το φαινόμενο παίζει ρόλο στην πυρηνική σύντηξη και σε εφαρμογές στη μικροηλεκτρονική. Προτάθηκε θεωρητικά στις αρχές του 20ού αιώνα και έγινε αποδεκτό ως φυσικό φαινόμενο στα μέσα του αιώνα αυτού. Σύμφωνα με την εξίσωση του Σρέντιγκερ ένα σωματίδιο έχει πιθανότητα να βρεθεί σε μια περιοχή που απαιτεί ενέργεια περισσότερη από αυτήν που έχει το σωματίδιο. Μια τέτοια περιοχή ονομάζεται φράγμα δυναμικού. Όταν το φράγμα δυναμικού έχει άπειρο βάθος, τότε η πιθανότητα μηδενίζεται, δηλαδή είναι αδύνατον το σωματίδιο να βρεθεί μέσα στο φράγμα. Όταν όμως το μήκος είναι πεπερασμένο τότε το σωματίδιο έχει πιθανότητα να βρεθεί μέσα στο φράγμα, και αν από την άλλη μεριά του φράγματος υπάρχει μια περιοχή που απαιτεί λιγότερη ενέργεια από αυτήν που έχει το σωματίδιο, μπορεί να βρεθεί και εκεί, να διαπεράσει δηλαδή το φράγμα. Η πιθανότητα όμως μειώνεται εκθετικά μέσα στο φράγμα. Με άλλα λόγια αν ένας μεγάλος αριθμός σωματιδίων βρεθεί στη μία περιοχή ένα μικρό ποσοστό θα καταφέρει να διαπεράσει το φράγμα.
2.-Δευτέριο: Ισότοπο του υδρογόνου. Ονομάζεται και Βαρύ Υδρογόνο. Ο πυρήνας του αποτελείται απο ένα Πρωτόνιο κι ένα Νετρόνιο.
ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Οι επεξηγήσεις και το σκίτσο με την κβαντική σήραγγα προστέθηκαν απο τις Ανιχνεύσεις.
