Молекула аммиака NH3, как правило, представляет собой зонтичную форму, в которой три атома водорода выделяются в неплоскостном виде вокруг центрального атома азота. Эта зонтичная структура очень стабильна и, как правило, требует инверсии большого количества энергии.
Однако квантово-механическое явление, называемое туннелированием, позволяет аммиаку и другим молекулам одновременно жить в геометрических структурах, разделенных запретительно высоким энергетическим барьером.
Группа химиков, в которую входят Роберт Филд, Роберт Т. Хаслам и Брэдли Дьюи, профессор химии в MIT, изучила это явление, используя очень большое электрическое поле для подавления одновременного заселения молекул аммиака в нормальном и инвертированном состоянии.
"Это прекрасный пример феномена проходки тоннелей, который демонстрирует удивительную странность квантовой механики", - говорит Филд, один из старших авторов исследования.
Хеон Кан, профессор химии Сеульского национального университета, также является старшим автором исследования, которое на этой неделе включено в сборник трудов Национальной академии наук. Парк Ён Вук и Хани Кан из Сеульского национального университета также являются авторами статьи.
Подавление инверсии
Эксперименты, проведенные в Сеульском национальном университете, стали возможны благодаря новому методу применения исследователями очень большого электрического поля (до 200 000 000 вольт на метр) к образцу, зажатому между двумя электродами.
Толщина этой сборки составляет всего несколько сотен нанометров, и электрическое поле, воздействующее на нее, создает силы, почти такие же сильные, как и взаимодействия между соседними молекулами.
"Мы можем применить эти огромные поля, которые почти такой же величины, как и поля, которые испытывают две молекулы, когда они приближаются друг к другу", - говорит Филд. "Это значит, что мы используем внешние средства, чтобы оперировать на равных условиях с тем, на что способны сами молекулы."
Это позволило исследователям исследовать квантовое туннелирование, явление, часто используемое на курсах химии для демонстрации одного из "жутких моментов" квантовой механики, говорит Филд.
Как аналогия, представьте себе, что вы путешествуете в долине. Чтобы добраться до следующей долины, нужно подняться на большую гору, что требует много работы.
Теперь представьте себе, что вы можете туннелировать через горы, чтобы добраться до следующей долины, без каких-либо реальных усилий. Это то, что позволяет квантовая механика при определенных условиях.
На самом деле, если бы эти две долины имели одинаковую форму, вы были бы одновременно расположены в обеих долинах.
В случае аммиака первая долина - это низкоэнергетическое, стабильное зонтичное государство.
Для того, чтобы молекула достигла другой долины - инвертированного состояния, которое имеет точно такое же низкое энергопотребление, - классически она должна была бы подняться в очень высокоэнергетическое состояние.
Однако, квантово-механически изолированная молекула существует с одинаковой вероятностью в обеих долинах.
В рамках квантовой механики возможные состояния молекулы, такой как аммиак, описываются с точки зрения характерной структуры уровня энергии.
Молекула изначально существует либо в нормальной, либо в инвертированной структуре, но она может спонтанно туннелировать в другую структуру.
Количество времени, необходимое для прокладки тоннеля, кодируется в диаграмме уровня энергии. Если барьер между двумя сооружениями высокий, время проходки туннелей длительное.
При определенных условиях, например, при сильном электрическом поле, прокладка тоннелей между регулярными и инвертированными конструкциями может быть прекращена.
Для аммиака воздействие сильного электрического поля снижает энергию одной структуры и повышает энергию другой (инвертированной) структуры.
В результате все молекулы аммиака могут находиться в более низком энергетическом состоянии.
Исследователи продемонстрировали это, создав многослойную структуру аргон-аммиак-аргон при 10 градусах Цельсия.
Аргон является инертным газом, который является твердым при 10 К, но молекулы аммиака могут свободно вращаться в твердом аргоне.
По мере увеличения электрического поля энергетические состояния молекул аммиака меняются таким образом, что вероятность нахождения молекул в нормальном и инвертированном состоянии становится все более значительной, и туннелирование больше не может происходить.
Этот эффект является полностью обратимым и неразрушающим: При уменьшении электрического поля молекулы аммиака возвращаются в нормальное состояние, когда они находятся одновременно в обеих скважинах.
Снижение барьеров
Для многих молекул барьер для проходки тоннелей настолько высок, что прокладка тоннелей никогда не произойдет в течение всего срока жизни Вселенной, говорит Филд.
Однако существуют молекулы, отличные от аммиака, которые могут быть индуцированы в туннеле путем тщательной настройки приложенного электрического поля.
Его коллеги сейчас работают над тем, чтобы использовать этот подход с некоторыми из этих молекул.
"Аммиак является особенным из-за его высокой симметрии и того факта, что это, вероятно, первый пример, который кто-либо когда-либо обсуждал с химической точки зрения при проходке тоннелей", - говорит Филд. "Однако есть много примеров, где это можно было бы использовать.
Электрическое поле, поскольку оно настолько велико, способно действовать в том же масштабе, что и фактические химические взаимодействия", предлагая способ внешнего манипулирования молекулярной динамикой.
