氨分子,NH3,通常以伞状存在,三个氢原子以非平面的形式围绕一个氮原子展开。这种伞状结构非常稳定,通常需要大量的能量才能实现逆转。

然而,一种叫做隧道效应的量子力学现象允许氨和其他分子同时居住在被高能量壁垒隔开的几何结构中。包括麻省理工学院化学教授罗伯特·菲尔德、罗伯特·t·哈斯拉姆和布拉德利·杜威在内的一组化学家,通过使用一个非常大的电场来抑制同时处于正常和倒立状态的氨分子的占领,研究了这一现象。

菲尔德是这项研究的资深作者之一,他说:“这是隧道现象的一个很好的例子,它揭示了量子力学的奇妙之处。”

首尔国立大学(Seoul National University)的化学教授Heon Kang也是这项研究的资深作者之一。该研究发表在本周的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。首尔国立大学的Youngwook Park和Hani Kang也是这篇论文的作者。

抑制反转

这项实验是在首尔国立大学进行的,研究人员采用了一种新方法,将一个非常大的电场(最高可达2亿伏特每米)施加到夹在两个电极之间的样本上。这个组装体只有几百纳米厚,施加于其上的电场产生的力几乎与相邻分子间的相互作用一样强。

“我们可以应用这些巨大的场,它们的大小几乎与两个分子相互靠近时所经历的场的大小相同,”菲尔德说。“这意味着我们正在使用一种外部手段,在一个平等的竞争环境中,让分子自己发挥作用。”

菲尔德说,这使得研究人员能够探索量子隧穿现象,这种现象经常在本科化学课程中被用来演示量子力学的“幽灵效应”之一。

打个比方,想象你在一个山谷里徒步旅行。要到达下一个山谷,你需要爬一座大山,这需要做很多工作。现在,想象一下,你可以通过隧道穿过这座山到达下一个山谷,不需要真正的努力。这就是量子力学所允许的,在一定条件下。事实上,如果两个谷折的形状完全相同,你就会同时位于两个谷折中。

以氨为例,第一个谷是低能、稳定的伞态。要让分子到达另一个山谷,即具有完全相同的低能的反向状态,通常需要提升到一个非常高能量的状态。然而,在量子力学上,孤立分子在两个谷中的概率相等。

在量子力学中,分子的可能状态,如氨,是用一种特殊的能级模式来描述的。该分子最初存在于正常或倒立结构中,但它可以自发地隧道到另一结构。隧穿发生所需的时间量被编码在能级模式中。两种结构之间的势垒越高,隧道开挖时间越长。在某些情况下,如施加强电场,可以抑制规则结构和倒立结构之间的隧穿。

对于氨,暴露在强电场中会降低一个结构的能量,提高另一个(反向)结构的能量。因此,所有的氨分子都处于低能态。研究人员通过在10开尔文处创建一个分层的氩-氨-氩结构来证明这一点。氩是一种惰性气体,在10k时是固体,但在氩中氨分子可以自由旋转。随着电场的增大,氨分子的能态发生变化,发现分子处于正态和反态的概率越来越远,不再发生隧穿现象。

这种效应是完全可逆和无损的:当电场减小时,氨分子在两个阱中同时回到它们的正常状态。

“这份手稿描述了我们在驯服分子和控制其基本动力学能力方面的一个新兴前沿,”耶鲁大学(Yale University)的化学教授帕特里克·瓦卡罗(Patrick Vaccaro)说,他没有参与这项研究。“本文提出的实验方法是独特的,它对未来研究分子结构和动力学有巨大的影响,目前的应用为隧道介导现象的本质提供了基本的见解。”

降低贸易壁垒

菲尔德说,对许多分子来说,隧穿的障碍是如此之高,以致于在宇宙的生命周期中永远不会发生隧穿。然而,除了氨分子外,还有其他分子可以通过仔细调节外加电场而诱导成隧道。他的同事们现在正致力于利用这种方法来研究其中的一些分子。

菲尔德说:“氨的特殊之处在于它的高度对称性,而且它可能是人们从化学角度讨论隧道效应的第一个例子。”“然而,有很多例子可以利用这一点。由于电场如此之大,它能够在与实际化学反应相同的尺度上起作用,“提供了一种强大的外部操纵分子动力学的方法。”

这项研究由三星科技基金会和国家科学基金会资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/spooky-quantum-tunneling-1104