Een molecuul ammoniak, NH ₃ , bestaat meestal als een parapluvorm, met drie waterstofatomen uitgespreid in een niet-vlakke opstelling rond een centraal stikstofatoom. Deze paraplustructuur is zeer stabiel en zou normaal gesproken een grote hoeveelheid energie nodig hebben om te worden omgekeerd.

Echter, een kwantummechanisch fenomeen dat tunneling wordt genoemd, zorgt ervoor dat ammoniak en andere moleculen tegelijkertijd in geometrische structuren kunnen wonen die worden gescheiden door een onbetaalbaar hoge energiebarrière. Een team van chemici, waaronder Robert Field, de Robert T. Haslam en Bradley Dewey hoogleraar scheikunde aan het MIT, heeft dit fenomeen onderzocht door een zeer groot elektrisch veld te gebruiken om de gelijktijdige bezetting van ammoniakmoleculen in de normale en omgekeerde toestand te onderdrukken.

"Het is een mooi voorbeeld van het tunnelverschijnsel, en het onthult een wonderbaarlijke vreemdheid van de kwantummechanica, " zegt Veld, wie is een van de senior auteurs van de studie.

Heon Kang, een professor in de chemie aan de Seoul National University, is ook een senior auteur van de studie, die deze week verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Youngwook Park en Hani Kang van Seoul National University zijn ook auteurs van het artikel.

Inversie onderdrukken

de experimenten, uitgevoerd aan de Nationale Universiteit van Seoul, werden mogelijk gemaakt door de nieuwe methode van de onderzoekers voor het aanbrengen van een zeer groot elektrisch veld (tot 200, 000, 000 volt per meter) op een monster dat tussen twee elektroden is ingeklemd. Dit geheel is slechts een paar honderd nanometer dik, en het elektrische veld dat erop wordt toegepast, genereert krachten die bijna net zo sterk zijn als de interacties tussen aangrenzende moleculen.

"We kunnen deze enorme velden toepassen, die bijna even groot zijn als de velden die twee moleculen ervaren als ze elkaar naderen, ' zegt Field. 'Dat betekent dat we een extern middel gebruiken om op een gelijk speelveld te opereren met wat de moleculen zelf kunnen doen.'

Hierdoor konden de onderzoekers kwantumtunneling onderzoeken, een fenomeen dat vaak wordt gebruikt in niet-gegradueerde scheikundecursussen om een ​​van de "spookachtigheden" van de kwantummechanica aan te tonen, Veld zegt.

Als analogie, stel je voor dat je in een vallei wandelt. Om de volgende vallei te bereiken, je moet een grote berg beklimmen, wat veel werk vraagt. Nutsvoorzieningen, stel je voor dat je door de berg zou kunnen tunnelen om bij de volgende vallei te komen, zonder dat er echte inspanning voor nodig is. Dit is wat de kwantummechanica mogelijk maakt, onder bepaalde omstandigheden. In feite, als de twee valleien precies dezelfde vorm hebben, u zou zich tegelijkertijd in beide valleien bevinden.

In het geval van ammoniak, de eerste vallei is de energiezuinige, stabiele paraplustaat. Om ervoor te zorgen dat het molecuul de andere vallei bereikt - de omgekeerde toestand, die precies dezelfde lage energie heeft - klassiek zou het naar een zeer hoge energietoestand moeten opstijgen. Echter, kwantum mechanisch, het geïsoleerde molecuul bestaat met gelijke waarschijnlijkheid in beide valleien.

Onder de kwantummechanica, de mogelijke toestanden van een molecuul, zoals ammoniak, worden beschreven in termen van een karakteristiek energieniveaupatroon. Het molecuul bestaat aanvankelijk in de normale of omgekeerde structuur, maar het kan spontaan tunnelen naar de andere structuur. De hoeveelheid tijd die nodig is om die tunneling te laten plaatsvinden, is gecodeerd in het energieniveaupatroon. Als de barrière tussen de twee structuren hoog is, de tunneling tijd is lang. Onder bepaalde omstandigheden, zoals het aanleggen van een sterk elektrisch veld, tunneling tussen de reguliere en omgekeerde structuren kan worden onderdrukt.

Voor ammoniak, blootstelling aan een sterk elektrisch veld verlaagt de energie van de ene structuur en verhoogt de energie van de andere (omgekeerde) structuur. Als resultaat, alle ammoniakmoleculen zijn te vinden in de lagere energietoestand. De onderzoekers toonden dit aan door een gelaagde argon-ammoniak-argonstructuur te creëren bij 10 kelvin. Argon is een inert gas dat vast is bij 10 K, maar de ammoniakmoleculen kunnen vrij roteren in de vaste argon. Naarmate het elektrische veld groter wordt, de energietoestanden van de ammoniakmoleculen veranderen zodanig dat de kansen om de moleculen in de normale en omgekeerde toestanden te vinden steeds verder uit elkaar raken, en tunneling kan niet meer optreden.

Dit effect is volledig omkeerbaar en niet-destructief:naarmate het elektrische veld afneemt, de ammoniakmoleculen keren in beide putten gelijktijdig terug naar hun normale toestand.

De barrières verlagen

Voor veel moleculen de barrière voor tunneling is zo hoog dat tunneling nooit zou plaatsvinden tijdens de levensduur van het universum, Veld zegt. Echter, er zijn andere moleculen dan ammoniak die kunnen worden geïnduceerd om te tunnelen door zorgvuldige afstemming van het aangelegde elektrische veld. Zijn collega's werken nu aan het benutten van deze aanpak met een aantal van die moleculen.

"Ammoniak is speciaal vanwege zijn hoge symmetrie en het feit dat het waarschijnlijk het eerste voorbeeld is dat iemand ooit zou bespreken vanuit een chemisch oogpunt van tunneling, ' zegt Field. 'Echter, er zijn veel voorbeelden waar dit misbruikt zou kunnen worden. Het elektrische veld, omdat het zo groot is, is in staat om op dezelfde schaal te werken als de feitelijke chemische interacties, " en biedt een krachtige manier om moleculaire dynamica extern te manipuleren.