Bilim İnsanları, ‘Ürkütücü’ Kuantum Tünellerini Gözlemledile

Amonyak molekülünde (NH3), merkezi atom etrafında üç hidrojen atomu bir şemsiye şeklinde mevcuttur. Şemsiye şeklindeki bu yapının çok sağlam olması, normal olarak ters çevirilmesi için büyük miktarda enerji gerektirir.

Bununla birlikte, tünel olarak adlandırılan kuantum mekaniksel bir fenomen, amonyak ve diğer moleküllerin eş zamanlı olarak engelleyici bir yüksek enerji bariyeri ile ayrılan geometrik yapılarda olmasına izin verir. Robert Field, Robert T.Haslam ve MIT’den kimya profesörü Bradley Dewey’den oluşan bir kimyacı ekip, bu olguyu normal ve ters çevrilmiş olan amonyak moleküllerinin eş zamanlı işgalini bastırmak için çok büyük bir elektrik alan kullanarak incelediler.

Araştırmanın yazarlarından Robert Field, “Araştırmamız, tünel fenomeninin güzel bir örneği ve kuantum mekaniğinin büyük garipliğini ortaya koyuyor” dedi.

Seul Ulusal Üniversitesi’nden araştırmacılar da kuantum tünelleri üzerine bir araştırma gerçekleştirdiler. Seul Ulusal Üniversitesi’nden araştırmacıların kaleme alığı makale, bu hafta Proceedings of the National Academy of Sciences’ta yayınlandı. 

Seul Ulusal Üniversitesi’nde yapılan deneylerde araştırmacılar, iki elektrot arasına yerleştirilmiş bir numuneye çok büyük bir elektrik alanı uygulamak için yeni bir yöntem denediler. Deneyde kullanılan numune, birkaç yüz nanometre kalınlığındaydı ve kendisine uygulanan elektrik alanı, bitişik moleküller arasındaki etkileşimler kadar güçlü kuvvetler üretir. 

Araştırmacılardan Robert Field, “İki molekülün birbirine yaklaşırken varolan alanlarla neredeyse aynı büyüklükte olan bu dev alanları uygulayabiliriz. Bu, moleküllerin kendilerinin yapabildikleri ile eşit bir oyun alanında faaliyet göstermek için harici bir araç kullandığımız anlamına geliyor” dedi.

Robert Field, yeni bulunan yöntem için, araştırmacıların kuantum mekaniğinin “ürkütücü” gerçeklerinden biri olarak sık sık kimya derslerinde gösterilen bir fenomen olan kuantum tünellerini keşfetmelerini sağladığını belirtti. 

Kuantum tünellerini anlamak için bir benzetme kullanmak gerekirse, bir vadide yürüdüğünüzü hayal edin. Bir sonraki vadiye ulaşmak için çok çaba harcamanız gereken bir dağa tırmanmanız gerekir. Çokta çaba harcamadan vadiye ulaşmak için dağın içinden tünel açabildiğinizi düşünün. Kuantum mekaniğinin belli koşullar altında izin verdiği şey budur. Aslında eğer iki vadi tamamen aynı şekle sahipse, aynı anda her iki vadide de yer alabileceksiniz. 

Amonyak örneğinde ise ilk vadi düşük enerjili, istikrarlı bir şemsiye halidir. Molekülün tam olarak aynı düşük enerjiye sahip ters çevrilmiş durumuna ulaşması için klasik olarak çok yüksek enerjili bir duruma yükselmesi gerekir. Bununla birlikte, kuantum mekanik olarak izole edilmiş molekül her iki vadide de eşit olasılıkla var olur. 

Kuantum mekaniğinde, amonyak gibi bir molekülün olası durumları, karakteristik bir enerji seviyesi modeli olarak tanımlanmaktadır. Molekül başlangıçta normal ya da ters çevrilmiş yapıda bulunur. Ancak kendiliğinden diğer yapıya tünel açabilir. Bu tünelleşmenin gerçekleşmesi için gereken süre, enerji seviyesi düzeninde kodlanır. İki yapı arasındaki bariyer yüksekse tünel açma süresi uzundur. Güçlü bir elektrik alanın uygulanması gibi belirli koşullar altında normal ve ters yapılar arasındaki tüneller bastırılabilir. 

Güçlü bir elektrik alana maruz kalmak, Amonyak yapısının enerjisini düşürür ve diğer yapının(ters çevrilmiş olanın) enerjisini yükseltir. Sonuç olarak, tüm amonyak molekülleri düşük enerji durumunda bulunabilir. Araştırmacılar, bu hali -263 santigrat derecede argon-amonyak-argon yapısı oluşturarak gösterdiler. Argon, -263 santigrat derecede katı olan inert bir gazdır.

Ancak amonyak molekülleri katı argon içinde serbetçe dolaşabilirler. Elektrik alanı arttıkça, amonyak moleküllerinin enerji halleri, moleküllerin normal ve ters çevrilmiş hallerde bulunma olasılıkları da giderek uzaklaşacak şekilde değişir ve tünelleme artık gerçekleşemez. Bu etki tamamen zararsız ve tersinirdir. Elektrik alanı azaldıkça, amonyak molekülleri her iki kuyucukta aynı anda olma durumlarına geri dönerler.

Robert Field, birçok molekül için tünel açmanın önündeki engellerin yüksek olduğunu, tünelin evrenin ömrü boyunca asla gerçekleşmeyeceğini söylüyor. Bununla birlikte, uygulanan elektrik alanın dikkatli bir şekilde ayarlanmasıyla tünel indüklenebilen amonyaktan başka moleküller de vardır. Araştırmacılar, şimdi bu yaklaşımı bu moleküllerin bazıları ile denemeye çalışıyorlar. 

Kimya profesörü olan Rober Field, “Amonyak, yüksek simetrisinden ve muhtemelen tünel açma açısından kimyasal bir bakış açısıyla herkesin tartışabileceği ilk örnek olması nedeniyle özeldir” dedi.

Kaynak: Webtekno