Pela primeira vez, os físicos veem as partículas se formarem através do tunelamento quântico: ScienceAlert

A química exige esforço. Seja aumentando a temperatura, aumentando as chances de átomos correspondentes colidirem em uma colisão quente ou aumentando a pressão e espremendo-os, a construção de moléculas geralmente requer um certo custo em energia.

A teoria quântica fornece uma solução se você for paciente. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, finalmente viu o tunelamento quântico em ação no primeiro experimento do mundo medindo a fusão de íons deutério com moléculas de hidrogênio.

Um túnel é uma estranheza no universo quântico que faz parecer que as partículas podem passar por obstáculos que normalmente seriam difíceis de superar.

Na química, esse obstáculo é a energia necessária para que os átomos se comuniquem entre si ou com as moléculas existentes.

No entanto, a teoria diz que, em casos extremamente raros, é possível que os átomos próximos façam um ‘túnel’ através dessa barreira de energia e se conectem sem nenhum esforço.

“A mecânica quântica permite que as partículas rompam a barreira de energia devido às suas propriedades de ondas mecânicas quânticas, e a interação ocorre,” Ele diz Primeiro autor Robert Wilde, um físico experimental da Universidade de Innsbruck.

As ondas quânticas são os fantasmas que dirigem o comportamento de coisas como elétrons, fótons e até grupos inteiros de átomos, obscurecendo sua existência antes de qualquer observação, para que não fiquem em um lugar específico, mas ocupem um continuum de posições possíveis.

Esse escurecimento não é significativo para objetos maiores, como partículas, gatos e galáxias. Mas, à medida que ampliamos as partículas subatômicas individuais, a gama de possibilidades se amplia, forçando os estados das várias ondas quânticas a se sobreporem.

Quando isso acontece, as partículas têm poucas chances de aparecer onde não têm trabalho, ou de cavar túneis em áreas que exigiriam muita força para entrar.

Uma dessas áreas de um elétron pode estar dentro da região de ligação de uma reação química, onde ele une átomos e moléculas vizinhos sem romper o calor ou a pressão.

Compreender o papel que o tunelamento quântico desempenha na construção e reorganização de moléculas pode ter implicações importantes para os cálculos de liberação de energia em reações nucleares, como as que envolvem hidrogênio em estrelas e reatores de fusão aqui na Terra.

enquanto Nós modelamos esse fenômeno Para exemplos envolvendo reações entre uma forma carregada negativamente de deutério – um isótopo de hidrogênio que contém um nêutron – e di-hidrogênio, ou H₂Provar os números experimentalmente requer um nível difícil de precisão.

Para conseguir isso, Wilde e seus colegas resfriaram os íons negativos de deutério a uma temperatura que os deixou quase parados antes de introduzir um gás feito de moléculas de hidrogênio.

Sem calor, a probabilidade de um íon deutério obter a energia necessária para forçar as moléculas de hidrogênio a reorganizar os átomos era muito menor. No entanto, também forçou as partículas a ficarem mais próximas umas das outras, dando-lhes mais tempo para se unirem pelos túneis.

“Em nosso experimento, damos às reações potenciais na armadilha cerca de 15 minutos e depois determinamos a quantidade de íons de hidrogênio formados. A partir de seu número, podemos deduzir com que frequência a reação ocorrerá”, disse. Wilde explica.

Este número é pouco mais de 5 x 10^-20 Reações por segundo que ocorrem por centímetro cúbico, ou cerca de um evento de tunelamento por cem bilhões de colisões. Então não muito. Embora a experiência apoie a modelagem anterior, confirmando um critério que pode ser usado em previsões em outros lugares.

Uma vez que os túneis desempenham um papel bastante importante em uma variedade de reações químicas e nucleares, muitas das quais também podem ocorrer nas profundezas frias do espaço, obter um controle preciso dos fatores em jogo nos dá uma base mais sólida para governar. Nossas expectativas estão acesas.

Esta pesquisa foi publicada em natureza.