Na vijftien jaar experimenteren is het een groep onderzoekers gelukt om theoretische voorspellingen over quantumgedrag van moleculen te bewijzen. Ze namen voor het eerst een zogenaamd tunneleffect waar, waarbij een atoom met een quantumsprong een molecuul in duikt.

Het tunneleffect, of quantum tunneling, is een ongrijpbaar, zeldzaam, en lastig te voorspellen verschijnsel. De wetten van de quantummechanica staan toe dat atomen soms een energiebarrière kunnen overbruggen die eigenlijk te hoog voor ze is. Het effect kan zo soms een chemische reactie mogelijk maken waarvoor eigenlijk niet genoeg energie beschikbaar is.

Een onderzoeksgroep uit Oostenrijk heeft dit tunneleffect nu voor het eerst waargenomen bij een chemische reactie waarvoor ook een nauwkeurige berekening mogelijk was. Theoretici kunnen opgelucht ademhalen. De resultaten ondersteunen hun voorspellingen.

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs
LEES OOK

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs

Vroeger zagen mensen ijs als iets wonderlijks, terwijl je het nu zelfs hartje zomer gewoon uit de vriezer haalt. Max Leonard vindt dat we dit bevroren ...

Quantumtunneleffect

Zulke voorspellingen zijn gebaseerd op quantummechanische simulaties van reacties, die al snel extreem complex worden. Als er drie of vier deeltjes – atomen en/of moleculen – betrokken zijn bij een reactie, is het voor theoretici nog nét te doen om uit te rekenen wanneer het tunneleffect optreedt. Maar als er meer dan vier deeltjes meedoen, zijn de berekeningen zo complex dat een theoretische voorspelling bijna onmogelijk is.

Daarom simuleren wetenschappers chemische reacties normaal gesproken met computermodellen die quantumeffecten grotendeels negeren. Maar is dat altijd terecht? Begrijpen wetenschappers de quantumeffecten goed genoeg om zulke modellen op te stellen?

Het experiment

Om dat te bepalen is een experiment nodig waarbij het tunneleffect optreedt, goed meetbaar is en de reactie simpel genoeg om de quantummechanische effecten nauwkeurig te berekenen.

‘Tijdens een gesprek met een collega kwamen we op het idee voor het experiment’, mailt natuurkundige Roland Wester van de universiteit van Innsbruck in Oostenrijk. ‘We kozen hiervoor de reactie van negatief geladen deuterium (een zware variant van waterstof, DS) met waterstofgas.’ Waterstofmoleculen bestaan uit twee waterstofatomen.

In het experiment sloten Wester en zijn collega’s het deuterium op en koelden het af tot -253 graden Celsius. Vervolgens lieten ze er waterstofgas bij. Normaal gesproken reageren die twee met elkaar en ontstaan er vrije, negatief geladen waterstofatomen en moleculen die bestaan uit deuterium en waterstof. Maar bij de lage temperatuur in het experiment hebben de deuteriumdeeltjes niet genoeg energie voor die reactie.

De enige manier waarop de deuterium-waterstof-moleculen kunnen ontstaan is via het zeldzame quantumtunneleffect, waarbij de deuterium-deeltjes heel af en toe een quantumsprong kunnen maken. Daarmee overwinnen ze de energiebarrière, en kunnen ze toch reageren met het waterstofgas.

15 jaar experimenteren

Die quantumsprongen zijn wel zeldzaam. Om te bepalen hoe vaak ze voorkomen brachten de onderzoekers meerdere deuteriumdeeltjes en waterstofmoleculen bij elkaar. Vervolgens wachtten ze een kwartier en keken hoeveel vrije, negatief geladen waterstofatomen er waren ontstaan. Dat gaf aan hoeveel quantumsprongen er hadden plaatsgevonden.

Impressie van deeltjes die, dankzij quantum tunneling, een energiebarrière doorbreken. Beeld: Universität Innsbruck/Harald Ritsch

Zo gezegd klinkt dit experiment redelijk eenvoudig: breng deuterium en waterstofgas samen, wacht een kwartiertje en tel de waterstofatomen. Maar het duurde 15 jaar om het experiment te bouwen en zo af te stellen dat het gevoelig genoeg was om dit te meten. Nu is dat eindelijk gelukt. De resultaten bevestigen de quantummechanische berekeningen, die sinds 2018 lagen te wachten op de uitkomst van het experiment.

Wester: ‘Onze metingen hebben aangetoond dat de berekeningen inderdaad nauwkeurig zijn. Dit geeft vertrouwen dat dergelijke berekeningen ook voor andere systemen kunnen worden uitgevoerd om zo een breder inzicht te geven in de rol van quantumtunneling in de chemie.’