Химики наблюдают «пугающее» квантовое туннелирование

Чрезвычайно большие электрические поля могут препятствовать инвертированию молекул аммиака в форме зонтика.

Химики продемонстрировали характеристики явления, называемого квантовым туннелированием, используя очень большое электрическое поле, чтобы изменить способность молекул аммиака переключаться между нормальным и инвертированным состояниями.

Молекула аммиака, NH ₃ , обычно существует в форме зонтика, причем три атома водорода разветвляются в неплоском расположении вокруг центрального атома азота. Эта зонтичная структура очень стабильна и, как ожидается, потребует большого количества энергии для ее инвертирования.

Однако квантово-механическое явление, называемое туннелированием, позволяет аммиаку и другим молекулам одновременно заселять геометрические структуры, которые разделены чрезмерно высоким энергетическим барьером. Команда химиков, в которую входят Роберт Филд, профессор химии им. Роберта Т. Хаслама и Брэдли Дьюи из Массачусетского технологического института, изучила это явление, используя очень большое электрическое поле для подавления одновременного захвата молекул аммиака в нормальном и инвертированном состояниях.

«Это прекрасный пример явления туннелирования, и он раскрывает удивительную странность квантовой механики», — говорит Филд, один из старших авторов исследования.

Хеон Кан, профессор химии в Сеульском национальном университете, также является старшим автором исследования, которое появляется на этой неделе в трудах Национальной академии наук . Youngwook Park и Hani Kang из Сеульского национального университета также являются авторами статьи.

Подавление инверсии

Эксперименты, проведенные в Сеульском национальном университете, были реализованы с помощью нового метода исследователей для приложения очень сильного электрического поля (до 200 000 000 вольт на метр) к образцу, помещенному между двумя электродами. Эта сборка имеет толщину всего несколько сотен нанометров, и приложенное к ней электрическое поле генерирует силы, почти такие же сильные, как и взаимодействия между соседними молекулами.

«Мы можем применить эти огромные поля, которые почти такой же величины, как поля, которые испытывают две молекулы, когда они приближаются друг к другу», — говорит Филд. «Это означает, что мы используем внешние средства для работы на равном игровом поле с тем, что молекулы могут делать сами».

Это позволило исследователям исследовать квантовое туннелирование, явление, часто используемое на курсах химии для студентов, чтобы продемонстрировать одно из «шуток» квантовой механики, говорит Филд.

В качестве аналогии представьте, что вы путешествуете по долине. Чтобы добраться до следующей долины, нужно взобраться на большую гору, что требует много работы. Теперь представьте, что вы могли бы проложить туннель через гору, чтобы добраться до следующей долины, без особых усилий. Это то, что позволяет квантовая механика при определенных условиях. На самом деле, если две долины имеют одинаковую форму, вы были бы одновременно расположены в обеих долинах.

В случае аммиака первая долина — это низкоэнергетическое стабильное зонтичное состояние. Чтобы молекула достигла другой долины — перевернутого состояния, которое имеет точно такую ​​же низкоэнергетическую энергию — классически ей нужно было бы подняться в очень высокоэнергетическое состояние. Однако квантово-механически изолированная молекула существует с равной вероятностью в обеих долинах.

В рамках квантовой механики возможные состояния молекулы, такой как аммиак, описываются в терминах характерной картины энергетического уровня. Молекула изначально существует либо в нормальной, либо в перевернутой структуре, но она может спонтанно туннелировать к другой структуре. Количество времени, необходимое для того, чтобы это туннелирование произошло, закодировано в схеме уровня энергии. Если барьер между двумя структурами высок, время туннелирования велико. При определенных обстоятельствах, таких как приложение сильного электрического поля, туннелирование между регулярной и перевернутой структурами может быть подавлено.

В случае аммиака воздействие сильного электрического поля снижает энергию одной структуры и повышает энергию другой (перевернутой) структуры. В результате все молекулы аммиака могут находиться в состоянии с более низкой энергией. Исследователи продемонстрировали это, создав слоистую структуру аргон-аммиак-аргон на 10 кельвинов. Аргон является инертным газом, твердым при температуре 10 К, но молекулы аммиака могут свободно вращаться в твердом аргоне. Когда электрическое поле увеличивается, энергетические состояния молекул аммиака изменяются таким образом, что вероятности нахождения молекул в нормальном и инвертированном состояниях все больше расходятся, и туннелирование больше не может происходить.

Этот эффект является полностью обратимым и неразрушающим: поскольку электрическое поле уменьшается, молекулы аммиака возвращаются в свое нормальное состояние одновременного пребывания в обеих скважинах.

Снижение барьеров

По словам Филда, для многих молекул барьер для туннелирования настолько высок, что туннелирование никогда не произойдет в течение всей жизни Вселенной. Однако есть и другие молекулы, кроме аммиака, которые могут быть индуцированы в туннель путем тщательной настройки приложенного электрического поля. Его коллеги сейчас работают над использованием этого подхода с некоторыми из этих молекул.

«Аммиак особенный из-за его высокой симметрии и того факта, что это, вероятно, первый пример, который кто-либо когда-либо обсуждал с химической точки зрения туннелирования», — говорит Филд. «Однако есть много примеров, где это можно использовать. Электрическое поле, потому что оно настолько велико, способно действовать в том же масштабе, что и реальные химические взаимодействия», предлагая мощный способ внешнего манипулирования молекулярной динамикой.

Исследование финансировалось Научно-техническим фондом Samsung и Национальным научным фондом.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом . Оригинал написан Энн Трафтон. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Youngwook Park, Хани Канг, Роберт У. Филд, Хеон Кан. Инфракрасный спектр аммиака в частотной области кодирует изменения молекулярной динамики, вызванные электрическим полем постоянного тока . Известия Национальной академии наук , 2019; 201914432 DOI: 10.1073 / pnas.1914432116