Il tasso a cui si verifica il raro ma cruciale fenomeno quantistico noto come tunneling è stato misurato sperimentalmente per la prima volta e si è scoperto che corrisponde ai calcoli teorici. Le stime teoriche in questo settore erano considerate molto incerte, quindi la conferma in un caso specifico consente di avere maggiore fiducia nel calcolare la frequenza di altri eventi di tunneling.
Il tunneling quantistico è uno dei tanti fenomeni in cui le particelle subatomiche si comportano in modi che la fisica classica considererebbe impossibili. In questo caso, un oggetto intrappolato in modo che classicamente richiederebbe una certa energia per sfuggire lascia la trappola, nonostante abbia meno di quella quantità di energia. È una conseguenza, e una prova, della natura onda/particella duale di oggetti come gli elettroni – una pura particella non potrebbe sfuggire, ma un’onda occasionalmente può. Fenomeni come il decadimento alfa dei nuclei atomici dipendono dal tunneling quantistico per verificarsi.
Il tunneling è essenziale per la fisica quantistica e i calcoli basati su esempi semplici sono presenti nei corsi universitari. Gli esempi del mondo reale sono notevolmente più complessi; sapere che il tunneling si verificherà occasionalmente in una situazione specifica e sapere con quale frequenza sono cose molto diverse. In un nuovo articolo, un team dell’Università di Innsbruck fornisce la prima misura della reazione tra una molecola di idrogeno e un anione di deuterio, scoprendo che è la reazione più lenta mai osservata coinvolgente particelle cariche.
La reazione (H2 + D- → H- + HD) coinvolge uno scambio tra una molecola di due atomi di idrogeno – protoni senza neutroni – e un atomo composto da un protone e un neutrone orbitato da due elettroni. Dopo che si è verificato il tunneling, uno dei componenti della molecola ha un neutrone, mentre l’atomo non collegato, ancora carico negativamente, è privo di neutroni. Anche se sembra che un neutrone sia stato trasferito, la reazione è considerata rappresentare uno scambio di protoni.
Dato che l’idrogeno costituisce ancora la maggior parte dell’universo, eventi come questo che non richiedono elementi più pesanti si verificano molto frequentemente su scala cosmica, nonostante le probabilità in un incontro specifico tra idrogeno e deuterio siano basse. Inoltre, se vogliamo avere la speranza di modellare eventi di tunneling più complessi, dobbiamo ancorare le nostre stime con misure di esempi più semplici come questo.
Il team di Innsbruck ha testato il tasso di occorrenza sperimentalmente riempiendo una trappola con un mix di ioni di deuterio raffreddati a 10 K (-263°C/-441°F) (raffreddati dalle collisioni a 15 K) e gas di idrogeno. A queste temperature il trasferimento è classicamente impossibile, ma la presenza di ioni di idrogeno carichi negativamente dopo 15 minuti ha indicato che era accaduto, sebbene non spesso.
Il tasso è misurato in centimetri cubi al secondo, dando un valore di 5,2 × 10-20 centimetri cubi al secondo, con un margine di errore di circa un terzo, che probabilmente non significherebbe molto per chiunque tranne che per un fisico quantistico.
Tuttavia, ciò si traduce in un trasferimento che avviene una volta ogni cento miliardi di volte che un anione di deuterio collide con una molecola di idrogeno. Questo potrebbe sembrare troppo raro per preoccuparsi, ma anche una piccola porzione di gas contiene molti miliardi di molecole. Aggiungi abbastanza deuterio e il numero di collisioni diventa immenso.
Misurare il tasso “richiede un esperimento che consenta misurazioni molto precise e che possa ancora essere descritto in modo quantomeccanico”, ha detto l’autore senior Professor Roland Wester in una statement. L’idea per l’esperimento è venuta a Wester 15 anni fa, ma il tunneling è così raro che è stato necessario uno sforzo considerevole per costruire un esperimento in cui potesse essere misurato.
Lo studio è pubblicato su Nature.
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