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量子力學(xué)允許粒子由于其波動性而突破能量屏障（壁）并發(fā)生反應(yīng)。圖片來源：奧地利因斯布魯克大學(xué)
科技日報(bào)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(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)選擇了氫來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(fù)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(dāng)兩者發(fā)生碰撞時(shí)，確實(shí)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)。“在實(shí)驗(yàn)中，我們給量子阱中可能發(fā)生的反應(yīng)大約15分鐘的時(shí)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。”
2018年，理論物理學(xué)家計(jì)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(shí)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(jìn)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(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)
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(shí)，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。
關(guān)鍵詞： 隧穿效應(yīng) 量子力學(xué)
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