量子力学允许粒子由于其量子力学波特性而突破高能势垒（壁）并发生反应。来源：因斯布鲁克大学/哈拉尔德里奇

化学中的隧穿反应很难预测。量子力学上精确描述三个以上粒子的化学反应是困难的，超过四个粒子几乎是不可能的。理论家用经典物理学模拟这些反应，必须忽略量子效应。但是，这种只能提供近似值的化学反应经典描述的极限在哪里？

因斯布鲁克大学离子物理与应用物理系的罗兰·韦斯特（Roland Wester）长期以来一直想探索这一前沿。“它需要一个允许非常精确的测量的实验，并且仍然可以用量子力学来描述，”实验物理学家说。“15年前，我在美国的一次会议上与一位同事的谈话中想到了这个想法，”韦斯特回忆道。他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧道效应。

由于隧道效应使反应非常不可能，因此反应缓慢，因此其实验观察非常困难。然而，经过几次尝试，韦斯特的团队现在第一次成功地做到了这一点，正如他们在本期《自然》杂志上报道的那样。

经过15年的研究取得突破

Roland Wester的团队选择了氢 - 宇宙中最简单的元素 - 进行实验。他们将氘（一种氢同位素）引入离子阱，将其冷却，然后用氢气填充陷阱。由于温度非常低，带负电荷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，当两者碰撞时确实会发生反应。

这是由隧道效应引起的：“量子力学允许粒子由于其量子力学波特性而突破高能势垒，并发生反应，”该研究的第一作者罗伯特·怀尔德解释说。在我们的实验中，我们在陷阱中给出大约15分钟的可能反应，然后确定形成的氢离子量。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。这与现在在因斯布鲁克测量的结果非常接近，经过15年的研究，首次证实了化学反应中隧穿效应的精确理论模型。

为更好地理解奠定基础

还有其他化学反应可能会利用隧道效应。现在第一次，一种在科学理论中也很好理解的测量方法。基于此，研究可以开发更简单的化学反应理论模型，并在现在已经成功证明的反应上对其进行测试。

例如，隧道效应用于扫描隧道显微镜和闪存中。隧道效应也被用来解释原子核的α衰变。通过包括隧道效应，还可以解释星际乌云中分子的一些天体化学合成。因此，韦斯特团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。

更多信息：罗兰·韦斯特，在非常缓慢的离子分子反应中测量的隧道，《自然》（2023 年）。DOI：10.1038/s41586-023-05727-z。www.nature.com/articles/s41586-023-05727-z

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