科學家首次觀察到量子隧穿效應

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。但在量子物理世界裏，有一種“穿墻術”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。相關研究論文發表在最新一期《自然》雜誌上。

研究團隊此次試圖在一個非常簡單的反應中追蹤量子力學隧穿效應。團隊選擇了氫來進行實驗，他們將氘（氫的同位素）引入一個離子阱，使其冷卻，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以常規方式與氫分子反應的能量。然而，在極少數情況下，當兩者發生碰撞時，確實會發生反應。

這是由隧穿效應引起的。研究第一作者羅伯特·懷爾德解釋説，量子力學中，粒子具有波動性，這使其可以突破能量障礙併發生反應。“在實驗中，我們給量子阱中可能發生的反應大約15分鐘的時間，然後確定形成的氫離子數量。從它們的數量中，我們可以推斷出反應發生的頻率。”

2018年，理論物理學家計算出，在這個系統中，每千億次碰撞中只有一次發生量子隧穿。這與現在科學家測量的結果非常吻合，經過多年研究，研究人員首次證實了化學反應中隧穿效應的精確理論模型。

在此基礎上，研究人員可以開發出更簡單的化學反應理論模型，並已成功進行測試。隧穿效應可被用於掃描隧道顯微鏡和快閃記憶體中，也可用以解釋原子核的阿爾法衰變，還可解釋星際暗雲中分子的一些天體化學合成。鋻於此，團隊的實驗為更好地理解許多化學反應奠定了基礎。

【總編輯圈點】

量子隧穿效應可比穿山法術，其在經典力學也就是宏觀世界裏不可能發生，但使用量子力學理論描述微觀粒子世界時，它卻有效。簡單來説，微觀粒子可以穿入或穿越看似不可穿越的高墻。而此次對這一事件的描述，將對諾獎級技術——掃描隧道顯微鏡發展有極大助力，其將利用量子隧穿效應更為精確的定位和觀察單個原子。