Kimyacılar Tarafından Gözlenen "Ürkütücü" Kuantum Tünel
Bir amonyak molekülü olan NH3 tipik olarak, bir merkezi azot atomunun etrafındaki düzlemsel olmayan bir düzenlemeyle yayılan üç hidrojen atomu ile bir şemsiye şekli olarak mevcuttur. Bu şemsiye yapının çok sağlam olması ve normal olarak ters çevrilmesi için büyük miktarda enerji gerektirmesi beklenir.
Son derece büyük elektrik alanları şemsiye şeklindeki amonyak moleküllerinin ters çevrilmesini önleyebilir.
Bir amonyak molekülü olan NH3 tipik olarak, bir merkezi azot atomunun etrafındaki düzlemsel olmayan bir düzenlemeyle yayılan üç hidrojen atomu ile bir şemsiye şekli olarak mevcuttur. Bu şemsiye yapının çok sağlam olması ve normal olarak ters çevrilmesi için büyük miktarda enerji gerektirmesi beklenir.
Bununla birlikte, tünel olarak adlandırılan kuantum mekaniksel bir fenomen, amonyak ve diğer moleküllerin eş zamanlı olarak yasaklı bir yüksek enerji bariyeri ile ayrılan geometrik yapılarda yaşamasına izin verir. Robert Field, Robert T. Haslam ve MIT'deki Bradley Dewey Kimya Profesörü içeren kimyagerlerden oluşan bir ekip, bu olguyu normal ve tersine çevrilmiş amonyak moleküllerinin eşzamanlı işgalini bastırmak için çok büyük bir elektrik alanı kullanarak inceledi.
Çalışmanın kıdemli yazarlarından Field, “Tünel fenomeninin güzel bir örneği ve harika bir kuantum mekaniği garipliğini ortaya koyuyor” diyor.
Seul Ulusal Üniversitesi'nde kimya profesörü olan Heon Kang, bu hafta Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde yer alan çalışmanın kıdemli bir yazarıdır. Youngwook Park ve Seul Ulusal Üniversitesi'nden Hani Kang da makalenin yazarı.
İnversiyon bastırılması
Seul Ulusal Üniversitesinde yapılan deneyler, araştırmacıların iki elektrot arasına yerleştirilmiş bir numuneye çok büyük bir elektrik alanı (metre başına 200.000.000 volt'a kadar) uygulamak için yeni yöntemiyle sağlandı. Bu montaj sadece birkaç yüz nanometre kalınlığındadır ve kendisine uygulanan elektrik alanı, bitişik moleküller arasındaki etkileşimler kadar kuvvetli kuvvetler üretir.
Field, “İki molekülün birbirine yaklaşırken yaşadıkları alanlarla neredeyse aynı büyüklükte olan bu dev alanları uygulayabiliriz” diyor. “Bu, moleküllerin kendilerinin yapabildikleri ile eşit bir oyun alanında faaliyet göstermek için harici bir araç kullandığımız anlamına geliyor.”
Bu, araştırmacıların, kuantum mekaniğinin “ürkütücü” lerinden birini göstermek için sık sık kimya kimyası derslerinde kullanılan bir fenomen olan kuantum tünellerini keşfetmelerini sağladı, diyor Field.
Bir benzetme olarak, bir vadide yürüyüş yaptığınızı hayal edin. Bir sonraki vadiye ulaşmak için çok çalışma gerektiren büyük bir dağa tırmanmanız gerekir. Şimdi, gerçek bir çaba göstermeden bir sonraki vadiye ulaşmak için dağın içinden tünel açabileceğinizi hayal edin. Kuantum mekaniğinin belirli koşullar altında izin verdiği şey budur. Aslında, eğer iki vadi de aynı şekle sahipse, aynı anda her iki vadide de yer alacaksınız.
Amonyak durumunda, ilk vadi düşük enerjili, istikrarlı şemsiye halidir. Molekülün diğer vadiye - tam olarak aynı düşük enerjiye sahip olan ters çevrilmiş duruma - ulaşması için, klasik olarak çok yüksek enerjili bir duruma yükselmesi gerekir. Bununla birlikte, kuantum mekanik olarak, izole edilmiş molekül her iki vadide de eşit olasılıkla var olur.
Kuantum mekaniği altında, amonyak gibi bir molekülün olası durumları, karakteristik bir enerji seviyesi modeli olarak tanımlanmaktadır. Molekül başlangıçta normal ya da ters çevrilmiş yapıda bulunur, ancak kendiliğinden diğer yapıya tünel açabilir. Bu tünelleşmenin gerçekleşmesi için gereken süre, enerji seviyesi düzeninde kodlanır. İki yapı arasındaki bariyer yüksekse, tünel açma süresi uzundur. Güçlü bir elektrik alanın uygulanması gibi belirli koşullar altında, normal ve ters yapılar arasında tünel bastırılabilir.
Amonyak için, güçlü bir elektrik alana maruz kalmak bir yapının enerjisini düşürür ve diğer (ters çevrilmiş) yapının enerjisini yükseltir. Sonuç olarak, tüm amonyak molekülleri düşük enerji durumunda bulunabilir. Araştırmacılar bunu, 10 kelvin'de katmanlı bir argon-amonyak-argon yapısı oluşturarak gösterdi. Argon, 10 K'da katı olan bir inert gazdır, ancak amonyak molekülleri argon katı içinde serbestçe dönebilir. Elektrik alanı arttıkça, amonyak moleküllerinin enerji halleri, moleküllerin normal ve ters çevrilmiş hallerde bulunma olasılıkları giderek daha da uzaklaşacak şekilde değişir ve tünelleme artık gerçekleşemez.
Bu etki tamamen tersinir ve tahribatsızdır: Elektrik alanı azaldıkça, amonyak molekülleri her iki kuyucukta aynı anda olma durumlarına geri döner.
Yale Üniversitesi'nde araştırma görevlisi olmayan kimya profesörü Patrick Vaccaro, “Bu el yazması, molekülleri evcilleştirme ve temel dinamiklerini kontrol etme kabiliyetimizde gelişen bir sınırı anlatıyor” diyor. “Bu makalede ortaya konan deneysel yaklaşım benzersizdir ve tünel oluşturma aracılı fenomenlerin doğasına ilişkin temel bilgileri sağlayan mevcut başvuru ile moleküler yapı ve dinamikleri sorgulama çabaları için muazzam sonuçlar doğurmaktadır.”
Engelleri azaltmak
Field, birçok molekül için tünel açmanın önündeki engellerin o kadar yüksek olduğunu, tünelin evrenin ömrü boyunca asla gerçekleşmeyeceğini söylüyor. Bununla birlikte, uygulanan elektrik alanın dikkatli bir şekilde ayarlanmasıyla tünele indüklenebilen amonyaktan başka moleküller de vardır. Meslektaşları şimdi bu yaklaşımı bu moleküllerin bazılarıyla kullanmak için çalışıyor.
Field, “Amonyak, yüksek simetri ve özel olarak tünel açma konusunda kimsenin tartışabileceği ilk örnek olması nedeniyle özel” dedi. “Bununla birlikte, bunun istismar edilebileceği pek çok örnek var. Elektrik alanı, çok büyük olduğu için, gerçek kimyasal etkileşimlerle aynı ölçekte hareket edebiliyor, ”dedi.