تونل زنی کوانتومی، یکی از آن پدیده های کوانتومی است که برای ما انسان های ماکروسکوپی، بسیار عجیب به نظر می رسد. حالا دانشمندان موفق به دیدن تونل زنی هیدروژن شده اند. با دیپ لوک همراه باشید…ملکول های گاز در دمای بالای صفر مطلق، همیشه دارای حرکت های تصادفی هستند. آنها می توانند در فرآیندی که به آن نفوذ سطحی گفته می شود، در طول سطح دو بعدی یک جامد نفوذ کرده یا پخش شوند. متداول ترین مکانیسم برای توضیح نفوذ سطحی، یک مکانیسم کلاسیکی به نام رقص گرمایی است که در آن، ملکول های گاز با یک سرعت وابسته به دما، از محل جذب (جایی که ملکول های گاز به سطح چسبیده اند) به محل دیگری پرش می کنند. تا کنون رقص گرمایی، تنها مکانیسم شناخته شده برای توضیح نفوذ سطحی اتم های هیدروژن روی سطح یخ بوده است. اما حالا در تحقیق جدیدی، دانشمندان دانشگاه هوکایدو ژاپن، برای نخستین بار، مشاهده ی تونل زنی کوانتومی را به عنوان مکانیسم نفوذ سطحی اتم های هیدروژن روی یخ، گزارش کرده اند. این در حالی است که تونل زنی کوانتومی قبلاً برای اتم های هیدروژن روی سطح برخی فلزها مشاهده شده بود. در فرآیند تونل زنی کوانتومی، اتم های هیدروژن می توانند از سدهای کلاسیکی عبور کنند. نام این پدیده به خوبی گویای نحوه ی رخ دادن آن است. موجودات کوانتومی (از جمله اتم ها یا ملکولها) می توانند از دیواری با انرژی بالاتر از انرژی خود، از طریق تونل زدن، عبور کنند. (مقاله توضیح تونل زنی کوانتومی)
یافته ی جدید به این معناست که نفوذ سطحی می تواند با شیوه ای متفاوت نسبت به قبل عمل کند. درک این شیوه، اثر بسیار مهمی در فهم چگونگی تشکیل ملکول های H۲ در ابرهای بین ستاره ای دارد، چرا که فرآیند نفوذ هیدروژن روی سطح یخ با نفوذ روی سطح یخ کیهانی، یکسان است. این فرآیند درست قبل از ترکیب دو اتم هیدروژن برای ساخت یک ملکول H۲ رخ می دهد.
از آنجایی که تونل زنی کوانتومی را نمی توان به طور مستقیم مشاهده کرد، دانشمندان مجبورند حضور آن را با رویکردی خلاقانه و به کمک ابزارهای تجزیه ای مبتنی بر لیزر اثبات کنند. در مطالعات قبلی، ثابت شده بود که نفوذ تونل زنی کوانتومی برخلاف رقص گرمایی، مستقل از دماست. اما متاسفانه در یخی که دانشمندان اینجا بررسی کردند، دما بسیار پایین بوده (زیر ۲۰ کلوین) و در نتیجه برای اندازه گیری وابستگی دمایی، بسیار باریک است. در عوض، دانشمندان در مورد اثر ایزوتوپی، اطلاعات جالبی بدست آورده اند. بر اساس داده های آزمایشگاهی قبلی و محاسبات انجام شده در مورد رقص گرمایی و انرژی جنبشی گازها، دانشمندان پیش بینی کرده اند که در دمای ۱۰ کلوین، اتم های هیدروژن (دارای یک الکترون و یک پروتون) باید ۴.۵ برابر سریع تر ازاتم های دوتریوم (دارای یک پروتون، یک الکترون و یک نوترون) نفوذ کنند. اگر تفاوت سرعت بین دو ایزوتوپ در آزمایش روی سطح یخ، به طور قابل توجهی با ۴.۵ اختلاف داشته باشد، نمیتوان آن را با رقص گرمایی توضیح داد و استنباط می شود که پدیده ی نفوذ تونل زنی کوانتومی رخ می دهد.
نتایج آزمایشگاهی جدید نشان می دهند که در ۱۰ کلوین، اتم های هیدروژن، ۱۰۰ بار سریع تر از یون های دوتریوم روی یک نوع یخ بسیار منظم به نام یخ چند بلوری، نفوذ می کنند! بنابراین محققان نتیجه گرفتند که این اثر ایزوتوپی سینتیکی فراتر از انتظار را تنها می توان با تونل زنی کوانتومی توضیح داد. محققان همچنین دریافتند که نفوذ روی یک نوع یخ نامنظم تر به نام آب جامد بی نظم، اختلاف سرعت، حدود ۱۶ برابر است. آنها معتقدند که این اختلاف اندک، ناشی از آن است که تونل زنی کوانتومی در نفوذ روی این نوع یخ، نقش دارد، اما هنوز رقص گرمایی، مکانیسم غالب است. دلیل سرکوب تونل زنی کوانتومی روی آب جامد بی نظم را می توان اینطور توضیح داد که این نوع یخ، مجبور است نفوذ را با ساختار غیردوره ای خود انجام دهد، در حالیکه یخ چندبلوری، نفوذ را با یک ساختار دوره ای انجام می دهد.
مکانیسم نفوذ (تونل زنی کوانتومی یا رقص گرمایی)، بشدت به ریخت شناسی سطح یخ بستگی دارد. یخ کیهانی، ریخت شناسی های مختلفی دارد. این پژوهش چگونگی نفوذ اتم های هیدروژن روی سطح یخ کیهانی برای ساخت ملکول های H2 را نشان داد. اتم های H به تناوب، مکانیسم تونل زنی کوانتومی و رقص گرمایی را انتخاب می کنند و این عوض بدل کردن تا زمانیکه با یک اتم هیدروژن دیگر مواجه شوند، ادامه می یابد. دانشمندان علاقه دارند تا در آینده آزمایش های مشابهی روی اتم های سنگین تر مانند اکسیژن و رادیکال ها انجام دهند، چرا که این اتم ها نیز روی یخ کیهانی وجود دارند و به ساخت ملکول ها روی یخ کیهانی کمک می کنند.
منبع: phys.org
عضویت در خبرنامه ایمیلی دیپ لوک عضویت در خبرنامه تلگرام دیپ لوک
