化學(xué)中的隧道反應(yīng)是很難預(yù)測(cè)的。從量子力學(xué)角度精確描述三個(gè)以上粒子的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)是非常困難，四個(gè)以上的粒子則幾乎不可能。理論家們用經(jīng)典物理學(xué)來模擬這些反應(yīng)，必須忽略量子效應(yīng)。但是，這種對(duì)化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典描述的極限在哪里，它只能提供近似值？

量子力學(xué)允許粒子由于其量子力學(xué)波的特性而突破能量屏障（墻），發(fā)生反應(yīng)。資料來源：因斯布魯克大學(xué)/哈拉爾-里奇

來自因斯布魯克大學(xué)離子物理和應(yīng)用物理系的Roland Wester長(zhǎng)期以來一直想探索這一前沿領(lǐng)域。這位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家說："這需要一個(gè)可以進(jìn)行非常精確測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，并且仍然可以用量子力學(xué)來描述。"韋斯特回憶說："這個(gè)想法是15年前我在美國(guó)的一次會(huì)議上與一位同事的談話中產(chǎn)生的。他想在一個(gè)非常簡(jiǎn)單的反應(yīng)中追蹤量子力學(xué)隧道效應(yīng)。"

由于隧道效應(yīng)使反應(yīng)的可能性非常小，因此速度很慢，其實(shí)驗(yàn)觀察是非常困難的。然而，經(jīng)過幾次嘗試，韋斯特的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在首次成功地做到了這一點(diǎn)，他們?cè)诒酒诘摹蹲匀弧冯s志上報(bào)告了這一點(diǎn)。

經(jīng)過15年的研究取得的突破

羅蘭-韋斯特的團(tuán)隊(duì)選擇了宇宙中最簡(jiǎn)單的元素--氫來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們將氘--一種氫的同位素引入一個(gè)離子阱后將其冷卻，然后用氫氣填充該阱。由于溫度非常低，帶負(fù)電荷的氘離子缺乏以常規(guī)方式與氫分子反應(yīng)的能量。然而，在非常罕見的情況下，當(dāng)兩者碰撞時(shí)發(fā)生了反應(yīng)。

這是由隧道效應(yīng)引起的："量子力學(xué)允許粒子因其量子機(jī)械波特性而突破能量障礙，并發(fā)生反應(yīng)，"該研究的第一作者Robert Wild解釋說。"在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們給陷阱中可能發(fā)生的反應(yīng)大約15分鐘，然后確定形成的氫離子的數(shù)量。從它們的數(shù)量，我們可以推斷出一個(gè)反應(yīng)發(fā)生的頻率。"

2018年，理論物理學(xué)家曾計(jì)算出，在這個(gè)系統(tǒng)中，每千億次碰撞中只出現(xiàn)一次量子隧道。這與現(xiàn)在在因斯布魯克測(cè)得的結(jié)果非常吻合，經(jīng)過15年的研究，首次證實(shí)了化學(xué)反應(yīng)中隧道效應(yīng)的精確理論模型。

為更好地理解奠定基礎(chǔ)

研究人員認(rèn)為還有其他可能利用隧道效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)在第一次有了一個(gè)在科學(xué)理論中也被充分理解的測(cè)量，在此基礎(chǔ)上，研究可以為化學(xué)反應(yīng)開發(fā)更簡(jiǎn)單的理論模型，并在現(xiàn)在已經(jīng)成功證明的反應(yīng)上進(jìn)行測(cè)試。

例如，隧道效應(yīng)被用于掃描隧道顯微鏡和閃光存儲(chǔ)器中。隧道效應(yīng)也被用來解釋原子核的α衰變。通過包括隧道效應(yīng)，一些星際暗云中的分子的天體化學(xué)合成也可以得到解釋。因此，韋斯特團(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)。