پیش‌بینی و مشاهده تونل زنی کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی، امری دشوار است، اما گروهی از دانشمندان پس از ۱۵ سال پژوهش با استفاده از ایزوتوپ هیدروژن و تله یونی در دماهای بسیار پایین موفق به اندازه‌گیری دقیق تونل زنی کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی شده‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…
پیش‌بینی واکنش‌های تونل زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) در شیمی دشوار است. توصیف کوانتومی دقیق واکنش‌های شیمیایی با بیش از سه ذره دشوار بوده و با بیش از چهار ذره تقریبا غیرممکن است. بنابراین نظریه‌پردازان مجبورند این واکنش‌ها را با فیزیک کلاسیک شبیه‌سازی کنند و اثرات کوانتومی را نادیده بگیرند. اما حد و مرز این توصیف کلاسیکی واکنش‌های شیمیایی که فقط می‌تواند تقریب‌هایی ارائه دهد، کجاست؟
رولاند وستر (Roland Wester) از دانشکده فیزیک دانشگاه اینسبروک مدت‌هاست که می‌خواهد این مرز را کشف کند. این فیزیکدان تجربی می‌گوید:
تعیین این مرز به آزمایشی نیاز دارد که امکان اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق (Precise Measurements) را فراهم کند و همچنان به صورت کوانتومی قابل توصیف باشد.
وستر به خاطر می‌آورد:
این ایده ۱۵ سال پیش در گفتگو با همکارم در کنفرانسی در ایالات متحده به ذهنم رسید. او می‌خواست اثر تونل زنی کوانتومی را در یک واکنش بسیار ساده ردیابی کند.
از آنجایی که اثر تونل (Tunnel Effect) واکنش را بسیار نا‌محتمل و در نتیجه کُند می‌کند، مشاهده تجربی آن فوق‌العاده دشوار بود. با این حال، پس از چندین بار تلاش، تیم وستر اکنون برای اولین بار موفق به انجام این کار شده است. نتیجه این پژوهش ارزشمند در مجله Nature گزارش شده است.
پیشرفت پس از ۱۵ سال پژوهش
تیم رولند وستر، هیدروژن – ساده‌ترین عنصر در جهان – را برای آزمایش خود انتخاب کردند. آنها دوتریوم – یک ایزوتوپ هیدروژن – را به یک تله یونی (Ion Trap) وارد کردند، آن را خنک کردند و سپس تله را با گاز هیدروژن پر کردند. یون‌های دوتریومِ با بار منفی، به دلیل دمای بسیار پایین، انرژی لازم برای واکنش با مولکول‌های هیدروژن را به روش معمولی ندارند. با این حال، در موارد بسیار نادر، هنگامی که این دو با هم برخورد می‌کنند، واکنشی رخ می‌دهد. این امر به دلیل اثر تونل ایجاد می‌شود. رابرت وایلد (Robert Wild)، نویسنده اول این مطالعه، توضیح می‌دهد:
مکانیک کوانتومی به ذرات اجازه می‌دهد تا به دلیل خواص موجی کوانتومی خود از سد انرژی عبور کنند و یک واکنش رخ دهد. در این آزمایش، ما به واکنش‌های احتمالی در حدود ۱۵ دقیقه در تله زمان می‌دهیم و سپس مقدار یون‌های هیدروژن تشکیل شده را تعیین می‌کنیم. از تعداد آنها می‌توانیم دریابیم که یک واکنش چند بار اتفاق افتاده است.
در سال ۲۰۱۸، فیزیکدانان نظری محاسبه کرده بودند که در این سیستم، تونل زنی کوانتومی تنها در یک مورد از هر صد میلیارد برخورد اتفاق می‌افتد. این عدد، به نتایج اندازه‌گیری شده در اینسبروک بسیار نزدیک است و پس از ۱۵ سال تحقیق، برای اولین بار یک مدل نظری دقیق را برای اثر تونل‌زنی در یک واکنش شیمیایی تایید می‌کند.
بنیانی برای درک بهتر
واکنش های شیمیایی دیگری نیز وجود دارند که ممکن است از اثر تونل زنی استفاده کنند. اکنون برای اولین بار، یک اندازه‌گیری در دسترس است که در نظریه علمی نیز به خوبی درک شده است. بر این اساس، پژوهش‌ها می‌توانند مدل‌های نظری ساده‌تری را برای واکنش‌های شیمیایی ایجاد کنند و آنها را بر روی واکنشی که اکنون با موفقیت نشان داده شده، آزمایش کنند.
به عنوان مثال از اثر تونل، در میکروسکوپ تونل زنی روبشی (Scanning Tunneling Microscope) و در حافظه های فلش استفاده می‌شود. همچنین از اثر تونل برای توضیح واپاشی آلفای هسته های اتمی (Alpha Decay) استفاده می‌شود. با لحاظ کردن اثر تونل، برخی از سنتزهای اخترشیمیایی مولکول‌ها در ابرهای تاریک بین ستاره ای را نیز می‌توان توضیح داد. درنتیجه آزمایش تیم وستر، بنیانی را برای درک بهتر بسیاری از واکنش های شیمیایی می‌سازد.
