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標題: 科學家首次觀察到量子隧穿效應 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2023-7-15 07:33 AM 標題: 科學家首次觀察到量子隧穿效應

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　　在經典物理世界中﹐從一座大山的這邊穿到那邊﹐只能消耗體力翻山越嶺。但在量子物理世界裡﹐有一種「穿牆術」存在﹐這就是量子隧穿效應。奧地利因斯布魯克大學物理學家首次在實驗中觀察到了這種效應﹐這是有史以來觀察到的最慢的帶電粒子反應。據稱﹐這種量子事件每100億次發生一次。
化學中的隧穿反應是很難預測的。用量子力學精確地描述三個以上粒子的化學反應是困難的﹐而對四個以上粒子的化學反應幾乎是不可能的。理論學家可以用經典物理學模擬這些反應﹐但他們必須忽略量子效應。但是﹐這種只能提供近似值的經典化學反應描述的極限在哪裡﹖
　　該校離子物理與應用物理系的研究人員長期以來一直在嘗試探索這一前沿領域。研究人員表示﹕「它需要一次實驗﹐可以進行非常精確的測量﹐並且仍然可以用量子力學來描述。」經過15年的研究﹐研究人員終於取得了重要突破。值得一提的是﹐奧地利因斯布魯克大學前段時間還剛剛通過實驗在230米的距離上實現兩個離子的糾纏。據稱﹐俘獲離子是未來跨越城市乃至大陸的量子網絡的一個有前景的平台﹐這項研究也發表在了《物理評論快報》雜誌上。
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　　由於隧道效應幾乎不可能發生﹐因此反應很慢﹐實驗觀測也變得異常困難。然而﹐經過幾次嘗試研究團隊終於成功地做到了這一點。研究團隊選擇用宇宙中最簡單的元素氫來進行實驗。他們將氫的同位素氘引入離子阱﹐將其冷卻﹐然後用氫氣填充離子阱。由於溫度非常低﹐帶負電的氘離子缺乏能量與氫分子以傳統方式進行反應﹐但卻可以在非常罕見的情況下通過碰撞發生反應。
　　當氫分子和帶電的氘原子發生碰撞時﹐這一交換質子的過程可以通過稱為隧穿﹐但這種情況在100億次碰撞中只會發生一次。「由於量子力學波的特性﹐量子力學允許粒子突破能量勢壘﹐並發生反應﹐」研究人員解釋說﹐「在我們的實驗中給出了大約15分鐘的可能反應﹐然後確定形成的氫離子的數量。從它們的數量﹐我們可以推斷出反應發生的頻率。」。
　　值得一提的是﹐2018年就曾有理論物理學家計算出﹐在這個系統中﹐量子隧穿概率為1000億分之一。這與現在在因斯布魯克測量的結果非常吻合﹐經過15年的研究﹐人類科學家首次證實了化學反應中隧道效應的精確理論模型。當然﹐還有其他化學反應也可以利用隧道效應。只不過這是科學家第一次觀察到量子隧穿效應﹐這種測量方法在科學理論中也得到了很好的理解。在此基礎上﹐研究人員可以為化學反應建立更簡單的理論模型﹐並在已經成功證明的反應上進行測試。

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