化学家通过使用非常大的电场来改变氨分子在正常状态和反向状态之间切换的能力,从而证明了一种称为量子隧穿现象的特征。

氨分子NH 3通常以伞形形式存在,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来反转。

科学新闻-紫沐兜

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)的化学家在内的一组化学家已经通过使用很大的电场抑制氨分子在正常状态和反向状态下的同时占据来研究了这一现象。

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

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。

菲尔特说:“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。” “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。”

菲尔德说,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,想象一下您可以通过山隧道到达下一个山谷,而无需付出真正的努力。在某些条件下,这就是量子力学所允许的。实际上,如果两个凹谷的形状完全相同,则您将同时位于两个凹谷中。

对于氨,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,根据特征能级模式描述了分子(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,但可以自发地隧穿到其他结构。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,可以发现所有氨分子处于较低能态。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。

这种作用是完全可逆的并且是无损的:随着电场的降低,氨分子在两个孔中同时恢复到正常状态。

降低障碍

菲尔德说,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:“氨具有很高的对称性,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,因此很特别。” “但是,有很多可以利用这一点的例子。电场是如此之大,能够以与实际化学相互作用相同的规模起作用”,提供了一种从外部操纵分子动力学的有力方法。


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