精选！量子力学中的“穿墙术”，科学家首次观察到量子隧穿效应|总编辑圈点

• 2023-03-02 06:06:35 来源：科技日报

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量子力学允许粒子由于其波动性而突破能量屏障（壁）并发生反应。图片来源：奥地利因斯布鲁克大学

科技日报记者 张佳欣

在经典物理世界中，从一座大山的这边穿到那边，只能消耗体力翻山越岭。但在量子物理世界里，有一种“穿墙术”存在，这就是量子隧穿效应。奥地利因斯布鲁克大学物理学家首次在实验中观察到了这种效应，这是有史以来观察到的最慢的带电粒子反应。相关研究论文发表在最新一期《自然》杂志上。

研究团队此次试图在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧穿效应。团队选择了氢来进行实验，他们将氘（氢的同位素）引入一个离子阱，使其冷却，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，当两者发生碰撞时，确实会发生反应。

这是由隧穿效应引起的。研究第一作者罗伯特·怀尔德解释说，量子力学中，粒子具有波动性，这使其可以突破能量障碍并发生反应。“在实验中，我们给量子阱中可能发生的反应大约15分钟的时间，然后确定形成的氢离子数量。从它们的数量中，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。这与现在科学家测量的结果非常吻合，经过多年研究，研究人员首次证实了化学反应中隧穿效应的精确理论模型。

在此基础上，研究人员可以开发出更简单的化学反应理论模型，并已成功进行测试。隧穿效应可被用于扫描隧道显微镜和闪存中，也可用以解释原子核的阿尔法衰变，还可解释星际暗云中分子的一些天体化学合成。鉴于此，团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。

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量子隧穿效应可比穿山法术，其在经典力学也就是宏观世界里不可能发生，但使用量子力学理论描述微观粒子世界时，它却有效。简单来说，微观粒子可以穿入或穿越看似不可穿越的高墙。而此次对这一事件的描述，将对诺奖级技术——扫描隧道显微镜发展有极大助力，其将利用量子隧穿效应更为精确的定位和观察单个原子。

标签： 隧穿效应 量子力学

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