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这种分子让化学家目睹了幽灵般的量子隧穿

2019-11-7 21:42| 发布者: | 查看: 29| 评论: 0

摘要:   1.  氨,是一种非常特别的分子。通常情况下,氨分子(NH₃)的形状像是一把雨伞,三个氢原子(H)围绕一个氮原子(N)以不处于同一平面的形式展开。对分子来说,这种伞状结构非常稳定,需要大量的能量才能逆转 ...

  1.

  ,是一种非常特别的分子。通常情况下,氨分子(NH₃)的形状像是一把雨伞,三个氢原子(H)围绕一个氮原子(N)以不处于同一平面的形式展开。对分子来说,这种伞状结构非常稳定,需要大量的能量才能逆转其几何结构。


伞状的氨分子。 图片来源:Chelsea Turner/MIT

  然而,一种名叫隧穿效应的量子力学现象可以允许氨分子,以及其他一些分子同时处在由很高的能垒所隔开的几何结构中。在物理学中,这指的是像电子等微观粒子能够穿越高度比粒子本身总能量更高的位势垒的现象。这种现象在大学的化学课程也常被讨论,用它来彰显量子力学中如“幽灵”一般的效应。  

  2.

  在一项新的研究中,一个化学家团队进行了这样一项实验,他们将一个最高可高达 2 亿伏每米的超强电场施加到了夹在两个电极之间的氨分子样本上。这样一个电极加样本的装置只有几百纳米厚。如此强的电场能产生几乎与两个相邻分子间的相互作用一样强的力。  

  氨分子的特殊之处在于它具有高度的对称性,利用施加外部电场,研究人员得以探索量子隧穿效应。氨分子也或许是首个人们从化学角度讨论隧穿效应的例子。

  这里的隧穿具体是什么意思呢?我们可以用一个类比来解释。假设你在一个山谷里徒步旅行,若想要到达下一个山谷,你需要翻过眼前的一座大山,这需要你做很的多功,它对应于我们在文首提到的——在通常情况下,将伞状结构的氨分子逆转需要耗费很大的能量。现在,想象一下,你的眼前有了一个隧道,通过这个隧道可以让你不费多少力气就直接穿过这座大山,抵达下一个山谷——这在一定条件的量子力学中是可以被允许的。事实上,如果两个“山谷”的形状完全相同,那么你就会同时位于两个山谷之中。  

  以氨分子为例,第一个“山谷”就是低能、稳定的雨伞状态;它的另一个“山谷”,便是具有完全相同能量的反向状态。若要让氨分子到达另一个“山谷”,从经典力学的角度来说,这需要将分子的能量提升到一个非常高的状态。然而量子力学却能让这个孤立的分子以相同的概率处于两个“山谷”之中。

  在量子力学中,如氨分子等一些分子的可能状态可以用一种特殊的能级模式来描述。一开始,分子处于正常结构或反向结构,但它可以自发地发生隧穿,而转换成另一种结构。隧穿发生所需的时间由能级模式决定。两种几何结构之间的能垒越高,隧穿所需的时间就越长。在一些特定情况下,施加以强电场就可以抑制正常结构和反向结构之间的隧穿。

  对于氨,暴露在这样的强电场中会使得其中一个几何结构的能量降低,另一个(反向)结构的能量升高。如此一来,所有的氨分子都处于低能状态。为了展示这一点,研究人员在低温状态下(10 开尔文)创造了一个分层的氩-氨-氩结构。氩是一种惰性气体,在温度为 10K 时是固态的,但氨分子在固态氩中可以自由旋转。随着电场的增强,氨分子的能态会发生变化,这种变化会使得氨分子处于正常状态和反向状态的概率相差越来越远,从而不再出现隧穿现象。

  通过施加强电场而产生的这种效应是完全可逆且不会造成损害的:当电场减弱时,氨分子又可以回到正常状态,并同时处于两个势阱之中。

  3.

  研究人员认为,除了氨分子之外,这样的例子应该还可以有很多。只是对许多分子来说,隧穿的能垒非常之高,以致于在宇宙的生命周期中永远不会自发地发生隧穿。然而,许多分子都可以通过仔细调节外加的电场强度来诱导隧穿的产生。现在,研究人员正致力于利用这种方法来研究除了氨分子之外的其他一些分子。

  新的研究方法描述了我们在掌控分子和控制其基本动力学能力方面的一个新兴前沿。它采用了非常独特的实验方法,这对未来研究分子结构和动力学具有重大意义。而且它的应用也为理解隧道现象的本质也提供了更基本的见解。


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