Por primera vez en la historia, los físicos ven la formación de partículas a través de túneles cuánticos: ScienceAlert

La química requiere esfuerzo. Ya sea elevando la temperatura, aumentando las probabilidades de que los átomos coincidan en una colisión caliente, o aumentando la presión y comprimiéndolos, la construcción de moléculas generalmente requiere un cierto costo de energía.

La teoría cuántica proporciona una solución si eres paciente. Un equipo de investigadores de la Universidad de Innsbruck en Austria finalmente vio la tunelización cuántica en acción en el primer experimento del mundo que mide la fusión de iones de deuterio con moléculas de hidrógeno.

Un túnel es una extrañeza en el universo cuántico que hace parecer que las partículas pueden atravesar obstáculos que normalmente serían difíciles de superar.

En química, este obstáculo es la energía necesaria para que los átomos se comuniquen entre sí o con las moléculas existentes.

Sin embargo, la teoría dice que, en casos extremadamente raros, es posible que los átomos cercanos se abran paso a través de esta barrera de energía y se conecten sin ningún esfuerzo.

“La mecánica cuántica permite que las partículas atraviesen la barrera de la energía debido a sus propiedades ondulatorias mecánicas cuánticas, y se produce la interacción”. Él dice Primer autor Robert Wilde, físico experimental de la Universidad de Innsbruck.

Las ondas cuánticas son los fantasmas que impulsan el comportamiento de cosas como electrones, fotones e incluso grupos enteros de átomos, desdibujando su existencia antes de cualquier observación, por lo que no se sientan en un lugar específico sino que ocupan un continuo de posiciones posibles.

Esta atenuación no es significativa para objetos más grandes como partículas, gatos y galaxias. Pero a medida que nos acercamos a las partículas subatómicas individuales, el rango de posibilidades se amplía, lo que obliga a los estados del sitio de las diversas ondas cuánticas a superponerse.

Cuando eso sucede, las partículas tienen pocas posibilidades de aparecer donde no tienen trabajo, o de hacer túneles en áreas que requerirían una gran cantidad de fuerza para ingresar.

Una de esas áreas de un electrón podría estar dentro de la región de enlace de una reacción química, donde une los átomos y moléculas vecinos sin romper el calor o la presión.

Comprender el papel que juega el túnel cuántico en la construcción y reorganización de las moléculas podría tener implicaciones importantes para los cálculos de la liberación de energía en las reacciones nucleares, como las que involucran hidrógeno en estrellas y reactores de fusión aquí en la Tierra.

mientras Hemos modelado este fenómeno Para ejemplos que involucran reacciones entre una forma de deuterio cargada negativamente, un isótopo de hidrógeno que contiene un neutrón, y dihidrógeno, o H₂Demostrar los números experimentalmente requiere un nivel difícil de precisión.

Para lograr esto, Wilde y sus colegas enfriaron los iones negativos de deuterio a una temperatura que los detuvo antes de introducir un gas hecho de moléculas de hidrógeno.

Sin calor, la probabilidad de que un ion deuterio obtuviera la energía necesaria para obligar a las moléculas de hidrógeno a reorganizar los átomos era mucho menor. Sin embargo, también obligó a las partículas a sentarse en silencio más juntas, dándoles más tiempo para unirse a través de los túneles.

“En nuestro experimento, le damos a las reacciones potenciales en la trampa unos 15 minutos y luego determinamos la cantidad de iones de hidrógeno formados. A partir de su número, podemos deducir con qué frecuencia ocurrirá la reacción”. Wilde explica.

Este número es un poco más de 5 x 10^-20 Reacciones por segundo que ocurren por centímetro cúbico, o aproximadamente un evento de efecto túnel por cada cien mil millones de colisiones. Así que no mucho. Aunque la experiencia respalda el modelado anterior, lo que confirma un criterio que puede usarse en predicciones en otros lugares.

Dado que los túneles juegan un papel bastante importante en una variedad de reacciones nucleares y químicas, muchas de las cuales también pueden ocurrir en las frías profundidades del espacio, tener un buen control de los factores en juego nos da una base más sólida para decidir. Nuestras expectativas están encendidas.

Esta investigación ha sido publicada en naturaleza.