化学中的隧穿反应很难预测。用量子力学精确地描述超过三个粒子的化学反应是困难的，超过四个粒子几乎是不可能的。理论家用经典物理学模拟这些反应，必须忽略量子效应。但是这种只能提供近似值的化学反应经典描述的局限在哪里呢？

因斯布鲁克大学离子物理与应用物理系的 Roland Wester 长期以来一直想探索这一前沿领域。实验物理学家说：“这需要一个允许非常精确测量并且仍然可以用量子力学描述的实验。” “15 年前，我在美国的一次会议上与一位同事交谈时想到了这个想法，”Wester 回忆道。他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧道效应。

由于隧道效应使反应不太可能发生，因此反应缓慢，因此实验观察异常困难。然而，经过几次尝试，Wester 的团队现在第一次成功地做到了这一点，他们在最新一期的《自然》杂志上报道了这一点。

经过15年的研究取得突破

Roland Wester 的团队选择了宇宙中最简单的元素“氢”作为他们的实验对象。他们将氘（一种氢的同位素）引入离子阱，将其冷却，然后用氢气填充离子阱。由于温度非常低，带负电的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而，在极少数情况下，当两者碰撞时确实会发生反应。

这是由隧道效应引起的：“量子力学允许粒子由于其量子力学波特性而突破能量屏障，并发生反应，”该研究的第一作者 Robert Wild 解释道。“在我们的实验中，我们在陷阱中给出了大约 15 分钟的可能反应，然后确定形成的氢离子的数量。从它们的数量，我们可以推断出反应发生的频率。”

2018 年，理论物理学家计算出，在这个系统中，每千亿次碰撞中只有一次发生量子隧穿。这与目前在因斯布鲁克测量的结果非常吻合，经过 15 年的研究，首次证实了化学反应中隧道效应的精确理论模型。

为更好的理解奠定基础

还有其他化学反应可能会利用隧道效应。现在第一次有一种在科学理论中也得到很好理解的测量方法。在此基础上，研究可以开发更简单的化学反应理论模型，并在现已成功证明的反应上对其进行测试。

例如，隧道效应用于扫描隧道显微镜和闪存中。隧道效应也被用来解释原子核的α衰变。通过引入隧道效应，也可以解释星际乌云中分子的一些天体化学合成。因此，Wester团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。

参考链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230301120839.htm