化学家观察到的“怪异”量子隧道效应

极大的电场可以防止伞状氨分子反转。

氨分子NH3通常呈伞形，三个氢原子以非平面排列的形式散布在中心氮原子周围。这种伞状结构非常稳定，通常预期将需要大量的能量才能被反转。

但是，一种称为隧穿的量子力学现象使氨和其他分子可以同时居住在被过高的能垒隔开的几何结构中。包括罗伯特·菲尔德（Robert Field），麻省理工学院的罗伯特·T·哈斯拉姆（Robert T. Haslam）和布拉德利·杜威（Bradley Dewey）的化学教授在内的一组化学家已经通过使用非常大的电场抑制氨分子在正常状态和倒置状态下的同时占据进行了研究。

这项研究的资深作者之一菲尔德说：“这是隧穿现象的一个美丽例子，它揭示了量子力学的奇异之处。”

首尔国立大学化学教授Heon Kang也是这项研究的资深作者，该研究本周发表在《美国国家科学院院刊》上。首尔国立大学的Youngwook Park和Hani Kang也是该论文的作者。

抑制反转

在首尔国立大学进行的实验是通过研究人员的新方法实现的，该新方法将非常大的电场（每米高达200,000,000伏）施加到夹在两个电极之间的样品上。这个组件只有几百纳米厚，施加到它的电场产生的力几乎与相邻分子之间的相互作用一样强。

“我们可以应用这些巨大的场，其大小几乎与两个分子彼此接近时所经历的场相同，” Field说。“这意味着我们正在使用一种外部手段，在与分子自身作用相同的平等竞争环境中运作。”

菲尔说，这使研究人员能够探索量子隧穿，这是一种在大学化学课程中经常使用的现象，用以证明量子力学的“怪异”之一。

打个比方，假设您正在山谷中远足。要到达下一个山谷，您需要攀登一座大山，这需要大量的工作。现在，假设您可以在不需要任何实际努力的情况下穿过山洞到达下一个山谷。在某些条件下，这就是量子力学所允许的。实际上，如果两个凹谷具有完全相同的形状，则您将同时位于两个凹谷中。

在氨的情况下，第一个谷是低能量，稳定的伞状。为了使分子到达另一个谷-具有完全相同的低能态的倒立态-传统上，它将需要上升为非常高能态。但是，从机械角度看，孤立的分子在两个谷中均等存在。

在量子力学下，根据特征能级图谱描述了分子（例如氨）的可能状态。该分子最初以正常结构或倒置结构存在，但可以自发地隧穿至其他结构。该隧穿发生所需的时间量被编码在能级模式中。如果两个结构之间的势垒较高，则隧穿时间较长。在某些情况下，例如施加强电场，可以抑制规则结构和倒置结构之间的隧穿。

对于氨，暴露于强电场会降低一种结构的能量，并增加另一种（倒置）结构的能量。结果，可以发现所有的氨分子处于较低的能量状态。研究人员通过在10开尔文处形成分层的氩-氨-氩结构来证明这一点。氩气是一种惰性气体，在10 K时为固体，但氨分子可以在氩气中自由旋转。随着电场的增加，氨分子的能量状态以这样的方式改变，使得发现处于正常状态和反向状态的分子的概率变得越来越远，并且不再可能发生隧穿。

此效果是完全可逆且无损的：随着电场的降低，氨分子回到在两个井中同时存在的正常状态。

耶鲁大学化学教授帕特里克·瓦卡罗（Patrick Vaccaro）说：“这份手稿描述了我们驯服分子和控制其基本动力学的能力的新兴领域。”“本文提出的实验方法是独特的，它对未来询问分子结构和动力学的努力具有巨大的影响，而本申请为深入了解隧穿介导现象的性质提供了基本见识。”

降低障碍

菲尔说，对于许多分子而言，隧穿的障碍是如此之高，以至于在宇宙的整个生命周期中都不会发生隧穿。但是，通过仔细调节所施加的电场，除了氨以外，还有其他分子可以被诱导隧穿。他的同事们现在正在努力利用其中一些分子来开发这种方法。

菲尔特说：“氨具有高度对称性，并且很可能是任何人从化学隧道学角度讨论的第一个例子，因此它是特殊的。”“但是，有很多可以利用这一点的例子。因为电场是如此之大，所以它能够以与实际化学相互作用相同的大小起作用，”提供了一种从外部操纵分子动力学的有力方法。

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该研究由三星科学技术基金会和国家科学基金会资助。