化學中的隧道反應是很難預測的。從量子力學角度精確描述三個以上粒子的化學反應已經(jīng)是非常困難，四個以上的粒子則幾乎不可能。理論家們用經(jīng)典物理學來模擬這些反應，必須忽略量子效應。但是，這種對化學反應的經(jīng)典描述的極限在哪里，它只能提供近似值？
量子力學允許粒子由于其量子力學波的特性而突破能量屏障（墻），發(fā)生反應。資料來源：因斯布魯克大學/哈拉爾-里奇
來自因斯布魯克大學離子物理和應用物理系的Roland Wester長期以來一直想探索這一前沿領域。這位實驗物理學家說："這需要一個可以進行非常精確測量的實驗，并且仍然可以用量子力學來描述。"韋斯特回憶說："這個想法是15年前我在美國的一次會議上與一位同事的談話中產(chǎn)生的。他想在一個非常簡單的反應中追蹤量子力學隧道效應。"
由于隧道效應使反應的可能性非常小，因此速度很慢，其實驗觀察是非常困難的。然而，經(jīng)過幾次嘗試，韋斯特的團隊現(xiàn)在首次成功地做到了這一點，他們在本期的《自然》雜志上報告了這一點。
經(jīng)過15年的研究取得的突破
羅蘭-韋斯特的團隊選擇了宇宙中最簡單的元素--氫來進行實驗。他們將氘--一種氫的同位素引入一個離子阱后將其冷卻，然后用氫氣填充該阱。由于溫度非常低，帶負電荷的氘離子缺乏以常規(guī)方式與氫分子反應的能量。然而，在非常罕見的情況下，當兩者碰撞時發(fā)生了反應。
這是由隧道效應引起的："量子力學允許粒子因其量子機械波特性而突破能量障礙，并發(fā)生反應，"該研究的第一作者Robert Wild解釋說。"在我們的實驗中，我們給陷阱中可能發(fā)生的反應大約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反應發(fā)生的頻率。"
2018年，理論物理學家曾計算出，在這個系統(tǒng)中，每千億次碰撞中只出現(xiàn)一次量子隧道。這與現(xiàn)在在因斯布魯克測得的結果非常吻合，經(jīng)過15年的研究，首次證實了化學反應中隧道效應的精確理論模型。
為更好地理解奠定基礎
研究人員認為還有其他可能利用隧道效應的化學反應，現(xiàn)在第一次有了一個在科學理論中也被充分理解的測量，在此基礎上，研究可以為化學反應開發(fā)更簡單的理論模型，并在現(xiàn)在已經(jīng)成功證明的反應上進行測試。
例如，隧道效應被用于掃描隧道顯微鏡和閃光存儲器中。隧道效應也被用來解釋原子核的α衰變。通過包括隧道效應，一些星際暗云中的分子的天體化學合成也可以得到解釋。因此，韋斯特團隊的實驗為更好地理解許多化學反應奠定了基礎。
