Efekt tunelowy to zjawisko kwantowe, które polega na przenikaniu (tzw. tunelowaniu) cząstki przez obszar, który dla tej cząstki jest zakazany przez prawa fizyki klasycznej. To dlatego, że kiedy cząstka przebywa w obszarze “zakazanym” łamie zasadę zachowania energii.
Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać
Fizycy z Uniwersytetu w Innsbrucku po raz pierwszy w historii zaobserwowali w eksperymencie kwantowym efekt tunelowy, który jest zgodny z obliczeniami sprzed kilku lat. Szczegóły opisane w Nature dostarczają uczonym ważnego punkt odniesienia do zrozumienia reakcji chemicznych.
Efekt tunelowy w końcu zaobserwowany
Przewidzenie efektu tunelowego reakcji chemicznych z więcej niż trzema cząstkami jest możliwe, choć ekstremalnie trudne. Uczeni symulują je zgodnie z zasadami fizyki klasycznej i pomijają niektóre efekty kwantowe. W ten sposób dostają tylko przybliżony opis reakcji chemicznych, który nie jest stuprocentowo wierny rzeczywistości. Jak to poprawić?
Wymaga to eksperymentu, który pozwala na bardzo precyzyjne pomiary i nadal może być opisany przez mechanikę kwantową. Pomysł przyszedł do mnie 15 lat temu w rozmowie z kolegą na konferencji w USA. Chciał on prześledzić kwantowy efekt tunelowy w bardzo prostej reakcji wodoru z deuterem. Dr Roland Wester z Uniwersytetu w Innsbrucku
Efekt tunelowy sprawił, że reakcja ta jest mało prawdopodobna, a gdy już występuje, to zachodzi ekstremalnie wolno. Zespół dr Westera użył wodoru, bo to najprostszy pierwiastek we Wszechświecie. Do pułapki jonowej najpierw wprowadzono deuter (izotop wodoru), następnie ją schłodzono, by na końcu wypełnić wodorem. Ze względu na niską temperaturę, jony deuteru nie mają wystarczająco dużo energii, by reagować z wodorem w klasyczny sposób. Czasami jednak może dojść do reakcji, w której oba jony zderzają się ze sobą, co jest wynikiem efektu tunelowego.
Mechanika kwantowa pozwala cząstkom przełamać barierę energetyczną dzięki ich kwantowym właściwościom falowym i dochodzi do reakcji. W naszym eksperymencie dajemy możliwym reakcjom w pułapce około 15 minut, a następnie określamy ilość powstałych jonów wodoru. Z ich liczby możemy wywnioskować, jak często dochodziło do reakcji. Dr Robert Wild, pierwszy autor badania
W 2018 r. obliczono teoretycznie, że w takim układzie efekt tunelowy występuje tylko w jednym na sto miliardów zderzeń. Teraz fizycy z Uniwersytetu w Innsbrucku byli w stanie to zmierzyć, co zaowocowało stworzeniem najdokładniejszego modelu teoretycznego efektu tunelowego w historii.
Czytaj też: Fuzja jądrowa w przełomowej odmianie. Energii wystarczy na 100 000 lat
Warto wspomnieć, że efekt tunelowy jest wykorzystywany m.in. w skaningowych mikroskopach tunelowych, pamięciach flash czy rozpadzie alfa jąder atomowych. Badania austriackich uczonych mogą zatem przełożyć się na przełom w wielu różnych dziedzinach.
