这种分子让化学家目睹了幽灵般的量子隧穿

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  氨,是一种非常特别的分子。通常情形下,氨分子(NH₃)的形状像是一把雨伞,有八个 氢原子(H)围绕有八个 氮原子(N)以不处于同一平面的形式展开。对分子来说,一种伞状形状非常稳定,需用大量的能量也能逆转其几何形状。
○伞状的氨分子。| 图片来源:Chelsea Turner/MIT

  然而,一种叫青 隧穿效应的量子力学现象还需用允许氨分子,以及一些一些分子同去处于由很高的能垒所隔开的几何形状中。在物理学中,这指的是像电子等微观粒子也能穿越淬硬层 比粒子一种总能量更高的位势垒的现象。一种现象在大学的化学课程也常被讨论,用它来彰显量子力学中如“急速 ”一般的效应。

  2。

  在一项新的研究中,有八个 化学家团队进行了另有八个 一项实验,.我将有八个 最高可高达2亿伏每米的超强电场施加到了夹在有八个 电极之间的氨分子样本上。另有八个 有八个 电极加样本的装置只能几百纳米厚。如此 强的电场能产生几乎与有八个 相邻分子间的相互作用一样强的力。

  氨分子的特殊之处于于它具有淬硬层 的对称性,利用施加内部内部结构电场,研究人员得以探索量子隧穿效应。氨分子也或许是首本.我从化学淬硬层 讨论隧穿效应的例子。

  这里的隧穿具体是有哪些意思呢?.我还需用用有八个 呼告来解释。假设你在有八个 山谷里徒步旅行,若你会到达下有八个 山谷,你需用翻过手中的一座大山,这需用你做很的多功,它对应于.我在文首提到的——在通常情形下,将伞状形状的氨分子逆转需用耗费很大的能量。现在,想象一下,你的手中有了有八个 隧道,通过一种隧道还需用有时候你不费几只力气就直接穿过这座大山,抵达下有八个 山谷——这在一定条件的量子力学中是还需用被允许的。事实上,因为有八个 “山谷”的形状删剪相同,如此 你就会同去处于有八个 山谷之中。

  以氨分子为例,第有八个 “山谷”越多低能、稳定的雨伞情形;它的另有八个 “山谷”,便是具有删剪相同能量的反向情形。若要让氨分子到达另有八个 “山谷”,从经典力学的淬硬层 来说,这需用将分子的能量提升到有八个 非常高的情形。然而量子力学却能让一种孤立的分子以相同的概率处于有八个 “山谷”之中。

  在量子力学中,如氨分子等一些分子的因为情形还需用用一种特殊的能级模式来描述。一现在开始,分子处于正常形状或反向形状,但它还需用自发地处于隧穿,而转加进另一种形状。隧穿处于所需的时间由能级模式决定。一种几何形状之间的能垒越高,隧穿所需的时间就越长。在一些特定情形下,施加以强电场就还需用抑制正常形状和反向形状之间的隧穿。

  对于氨,暴露在另有八个 的强电场中会使得其中有八个 几何形状的能量降低,另有八个 (反向)形状的能量升高。如此 一来,所有的氨分子都处于低能情形。为了展示一种点,研究人员在低温情形下(10开尔文)创造了有八个 分层的氩-氨-氩形状。氩是一种惰性氢气,在温度为10K时是固态的,但氨分子在固态氩中还需用自由旋转。随着电场的增强,氨分子的能态会处于变化,一种变化会使得氨分子处于正常情形和反向情形的概率相差如此 远,从而不再经常老出隧穿现象。

  通过施加强电场而产生的一种效应是删剪可逆且无需造成损害的:当电场减弱时,氨分子又还需用回到正常情形,并同去处于有八个 势阱之中。

  3。

  研究人员认为,除了氨分子之外,另有八个 的例子应该还还需用有越多。越多对一些分子来说,隧穿的能垒非常之高,以致于在宇宙的生命周期中永远无需自发地处于隧穿。然而,一些分子都还需用通过仔细调节外加的电场数率来诱导隧穿的产生。现在,研究人员正致力于利用一种方法来研究除了氨分子之外的一些一些分子。

  新的研究方法描述了.我在掌控分子和控制其基本动力学能力方面的有八个 新兴前沿。它采用了非常独特的实验方法,这对未来研究分子形状和动力学具有重大意义。有时候 它的应用也为理解隧道现象的本质也提供了更基本的见解。