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量子力學允許粒子由于其波動性而突破能量屏障（壁）并發(fā)生反應。圖片來源：奧地利因斯布魯克大學
科技日報記者?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”存在，這就是量子隧穿效應。奧地利因斯布魯克大學物理學家首次在實驗中觀察到了這種效應，這是有史以來觀察到的最慢的帶電粒子反應。相關研究論文發(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中追蹤量子力學隧穿效應。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。
這是由隧穿效應引起的。研究第一作者羅伯特·懷爾德解釋說，量子力學中，粒子具有波動性，這使其可以突破能量障礙并發(fā)生反應。“在實驗中，我們給量子阱中可能發(fā)生的反應大約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發(fā)生的頻率。”
2018年，理論物理學家計算出，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反應中隧穿效應的精確理論模型。
在此基礎上，研究人員可以開發(fā)出更簡單的化學反應理論模型，并已成功進行測試。隧穿效應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合成。鑒于此，團隊的實驗為更好地理解許多化學反應奠定了基礎。
總編輯圈點
量子隧穿效應可比穿山法術，其在經(jīng)典力學也就是宏觀世界里不可能發(fā)生，但使用量子力學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——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更為精確的定位和觀察單個原子。
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