Per la prima volta in assoluto, i fisici vedono la formazione di particelle attraverso il tunneling quantistico: ScienceAlert

La chimica richiede impegno. Che si tratti di aumentare la temperatura, aumentare le probabilità che gli atomi corrispondenti si scontrino in una collisione calda, o aumentare la pressione e comprimerli insieme, la costruzione di molecole di solito richiede un certo costo in energia.

La teoria quantistica fornisce una soluzione se sei paziente. Un team di ricercatori dell’Università di Innsbruck in Austria ha finalmente visto il tunneling quantistico in azione nel primo esperimento al mondo che misura la fusione degli ioni di deuterio con le molecole di idrogeno.

Un tunnel è una stranezza nell’universo quantistico che fa sembrare che le particelle possano passare attraverso ostacoli che normalmente sarebbero difficili da superare.

In chimica, questo ostacolo è l’energia necessaria agli atomi per comunicare tra loro o con molecole esistenti.

Tuttavia, la teoria afferma che in casi estremamente rari, è possibile che gli atomi vicini al “tunnel” si facciano strada attraverso questa barriera energetica e si connettano senza alcuno sforzo.

“La meccanica quantistica consente alle particelle di sfondare la barriera energetica grazie alle loro proprietà ondulatorie di meccanica quantistica, e l’interazione ha luogo”, Lui dice Primo autore Robert Wilde, un fisico sperimentale dell’Università di Innsbruck.

Le onde quantistiche sono i fantasmi che guidano il comportamento di cose come elettroni, fotoni e persino interi gruppi di atomi, offuscando la loro esistenza prima di qualsiasi osservazione, quindi non si trovano in un luogo specifico ma occupano un continuum di possibili posizioni.

Questo oscuramento non è significativo per oggetti più grandi come particelle, gatti e galassie. Ma man mano che ingrandiamo le singole particelle subatomiche, la gamma di possibilità si amplia, costringendo gli stati del sito delle varie onde quantistiche a sovrapporsi.

Quando ciò accade, le particelle hanno poche possibilità di emergere dove non hanno lavoro o di scavare tunnel in aree che richiederebbero una grande quantità di forza per entrare.

Una di quelle aree di un elettrone potrebbe trovarsi all’interno della regione di legame di una reazione chimica, dove salda insieme atomi e molecole vicini senza rompere il calore o la pressione.

Comprendere il ruolo del tunneling quantistico nella costruzione e riorganizzazione delle molecole potrebbe avere importanti implicazioni per i calcoli del rilascio di energia nelle reazioni nucleari, come quelle che coinvolgono l’idrogeno nelle stelle e nei reattori a fusione qui sulla Terra.

Mentre Abbiamo modellato questo fenomeno Per esempi che coinvolgono reazioni tra una forma caricata negativamente di deuterio – un isotopo di idrogeno che contiene un neutrone – e diidrogeno, o H₂Dimostrare i numeri sperimentalmente richiede un difficile livello di precisione.

Per raggiungere questo obiettivo, Wilde ei suoi colleghi hanno raffreddato gli ioni negativi di deuterio a una temperatura che li ha avvicinati all’arresto prima di introdurre un gas fatto di molecole di idrogeno.

Senza calore, la probabilità che uno ione deuterio ottenesse l’energia necessaria per costringere le molecole di idrogeno a riorganizzare gli atomi era molto inferiore. Tuttavia, ha anche costretto le particelle a sedersi tranquillamente più vicine, dando loro più tempo per legarsi attraverso i tunnel.

“Nel nostro esperimento, diamo alle potenziali reazioni nella trappola circa 15 minuti e poi determiniamo la quantità di ioni idrogeno formati. Dal loro numero, possiamo dedurre la frequenza con cui si verificherà la reazione”. Wild spiega.

Questo numero è poco più di 5 x 10^-20 Reazioni al secondo che si verificano per centimetro cubo, o circa un evento di tunnel ogni cento miliardi di collisioni. Quindi non molto. Sebbene l’esperienza supporti la modellazione precedente, confermando un criterio che può essere utilizzato nelle previsioni altrove.

Poiché i tunnel svolgono un ruolo piuttosto importante in una varietà di reazioni nucleari e chimiche, molte delle quali è probabile che si verifichino anche nelle fredde profondità dello spazio, avere una buona padronanza dei fattori in gioco ci dà una base più solida per governare. Le nostre aspettative sono accese.

Questa ricerca è stata pubblicata in natura.