.,mnbfrty789o

شیمیدانان تونلینگ کوانتومی اسرارا آمیزی را مشاهده می کنند

یک مولکول آمونیاک، NH3، به طور معمول همچون شکل یک چتر دیده می شود، با سه اتم هیدروژن در اطراف و یک اتم نیتروژن در مرکز آن هم در یک چیدمان غیر قطبی. این ساختار چتر مانند بسیار پایدار است و به طور معمول انتظار می رود برای وارونه شدن به مقدار زیادی انرژی نیاز داشته باشد.

با این حال، یک پدیده مکانیکی کوانتومی به نام تونلینگ (تونل سازی) اجازه می دهد تا آمونیاک و سایر مولکولها به طور همزمان در ساختار های هندسی مستقر شوند که توسط سدی با انرژی بسیار بالا از هم جدا شده اند. تیمی از شیمی دانان از جمله رابرت فیلد، رابرت تی. هاسلام و بردلی دیوی که استادان شیمی در MIT هستند، این پدیده را با استفاده از یک میدان الکتریکی بسیار بزرگ به منظور مانع شدن (سرکوب) برای اشغال همزمان مولکول های آمونیاک در حالت های عادی و معکوس بررسی کرده اند.

فیلد، که یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه است، می گوید: این یک نمونه زیبا از پدیده تونل سازی است، و یک اتفاق فوق العاده شگفت انگیز را در نشان می دهد.

سرکوب وارونگی

این آزمایشات که در دانشگاه ملی سئول انجام شده است، با استفاده از روش جدیدی است که محققان ابداع کرده اند که در آن از یک میدان الکتریکی بسیار بزرگ (حداکثر ۲۰۰۰۰۰۰۰۰ ولت در هر متر) استفاده می شود که در آن نمونه ای بین دو الکترود قرار می گیرد. این مجموعه تنها چند صد نانومتر ضخامت دارد، و میدان الکتریکی که بر روی آن وارد می شود تقریبا به اندازه نیرو هایی است که بین دو مولکول مجاور هم به وجود می آید.

فیلد می گوید: ما می توانیم میدان های عظیمی را که تقریباً برابر با همان میدان هایی هستند که دو مولکول هنگام نزدیک شدن به یکدیگر تجربه می کنند را اعمال کنیم. این بدان معناست که ما با استفاده از یک وسیله خارجی می توانیم همان میدان هایی را که مولکول ها خوشان ایجاد می کنند را به وجود بیاوریم. این امر به محققان اجازه می دهد که تونلینگ را مورد بررسی قرار دهند (کشف کنند)،

به عنوان مثال، تصور کنید که در یک دره قدم می زنید. و برای رسیدن به دره بعدی، باید از کوه بزرگی صعود کنید که به زحمت و انرژی زیادی نیاز دارد. حال تصور کنید که می توانید برای رسیدن به دره بعدی، بدون نیاز به تلاش، از تونلی که میان کوه وجود دارد استفاده کنید. این دقبقا همان چیزی است که مکانیک کوانتومی تحت شرایط خاص اجازه می دهد. در حقیقت، اگر دو دره دقیقاً یکسان و شبیه هم باشند، شما همزمان در هر دو دره قرار خواهید گرفت.

در مورد آمونیاک، اولین دره حالتی است با انرژی کم و پایدار. برای رسیدن این مولکول به دره دیگر – حالت معکوس، که دقیقاً دارای انرژی کم است – از نظر کلاسیکی باید به وضعیت انرژی بسیار بالایی صعود کند. با این حال، از نظر مکانیک کوانتومی، مولکول جدا شده با احتمال برابر در هر دو دره وجود دارد.

در مکانیک کوانتومی، حالت های ممکن یک مولکول، مانند آمونیاک، از نظر الگوی سطح انرژی مشخص می شوند. این مولکول در ابتدا یا در یک ساختار عادی وجود دارد یا ساختاری معکوس، اما می تواند خود به خود به ساختار دیگر تونل بزند. مقدار زمان لازم برای انجام این تونل زنی در الگوی سطح انرژی کد گذاری می شود. اگر سد بین دو ساختار زیاد باشد، زمان تونل زدن نیز طولانی می شود. در شرایط خاص، همچون استفاده از یک میدان الکتریکی قوی، تونل زنی بین ساختار های منظم و معکوس قابل سرکوب است.

برای آمونیاک قرار گرفتن در معرض میدان الکتریکی قوی، انرژی یک ساختار را کم می کند و انرژی ساختار دیگر (معکوس) را بالا می برد. در نتیجه، تمام مولکول های آمونیاک را می توان در حالت انرژی پایین تر یافت. محققان با ایجاد یک ساختار آرگون-آمونیاک لایه بندی شده در (دما) ۱۰ کلوین، این امر را اثبات کردند. آرگون گازی خنثی است که در دمای ۱۰ درجه جامد است، اما مولکول های آمونیاک می توانند آزادانه در آرگون جامد بچرخند. هنگامی که میدان الکتریکی افزایش می یابد، حالت های انرژی مولکول های آمونیاک به گونه ای تغییر می کنند که احتمال یافتن مولکول ها در حالت عادی و معکوس به طور چشمگیری از هم فاصله می گیرند و دیگر تونل زنی نمی تواند رخ دهد.

این اثر کاملاً برگشت پذیر و غیر مخرب است: با کاهش میدان الکتریکی، مولکول های آمونیاک به حالت عادی خود باز می گردند.

پایین آمدن سد ها

فیلد می گوید، برای بسیاری از مولکول ها، سد (مانع) تونل زدن به حدی زیاد است که تونل زدن هرگز در طول عمر جهان اتفاق نخواهد افتاد. با این وجود مولکول هایی غیر از آمونیاک وجود دارند که با تنظیم دقیق میدان الکتریکی می توانند به سمت تونل زدن حرکت کنند. هم اکنون برخی از همکاران او در تلاش هستند تا با استفاده از این روش برای برخی دیگر از مولکول ها نیز انجام دهند.

فیلد می گوید: آمونیاک به علت تقارن زیاد، مولکولی خاص است و در واقع احتمالا این اولین نمونه ای باشد که کسی از دید شیمیایی درباره تونلینگ بحث کرده است. البته احتمالا بتوان با استفاده از میدان الکتریکی قوی برای برخی دیگر از مولکول ها نیز فعل و انفعالات شیمیای را به همان گونه که هست به وجود آورد.