En molekyl av ammoniak, NH ₃ , existerar vanligtvis som en paraplyform, med tre väteatomer utblåst i ett icke -planerat arrangemang runt en central kväveatom. Denna paraplystruktur är mycket stabil och förväntas normalt kräva en stor mängd energi för att vända.

Dock, ett kvantmekaniskt fenomen som kallas tunneling tillåter ammoniak och andra molekyler att samtidigt bebo geometriska strukturer som är åtskilda av en oöverkomligt hög energibarriär. Ett team av kemister som inkluderar Robert Field, Robert T. Haslam och Bradley Dewey professor i kemi vid MIT, har undersökt detta fenomen genom att använda ett mycket stort elektriskt fält för att undertrycka samtidig ockupation av ammoniakmolekyler i normala och inverterade tillstånd.

"Det är ett vackert exempel på tunnelfenomenet, och det avslöjar en underbar konstighet i kvantmekaniken, "säger Field, som är en av de högre författarna till studien.

Heon Kang, professor i kemi vid Seoul National University, är också en författare till studien, som visas denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences . Youngwook Park och Hani Kang från Seoul National University är också författare till tidningen.

Undertrycker inversion

Experimenten, utförd vid Seoul National University, möjliggjordes av forskarnas nya metod för att tillämpa ett mycket stort elektriskt fält (upp till 200, 000, 000 volt per meter) till ett prov som ligger mellan två elektroder. Denna enhet är bara några hundra nanometer tjock, och det elektriska fält som appliceras på det genererar krafter nästan lika starka som interaktionerna mellan angränsande molekyler.

"Vi kan tillämpa dessa enorma fält, som är nästan lika stor som de fält som två molekyler upplever när de närmar sig varandra, "Field säger." Det betyder att vi använder ett externt medel för att arbeta på lika villkor med vad molekylerna kan göra själva. "

Detta gjorde det möjligt för forskarna att utforska kvanttunnel, ett fenomen som ofta används i kemikurser för att demonstrera en av kvantmekanikens "spookinesses", Säger Field.

Som en analogi, tänk dig att du vandrar i en dal. För att nå nästa dal, du måste bestiga ett stort berg, vilket kräver mycket arbete. Nu, tänk dig att du kan tunnel genom berget för att komma till nästa dal, utan verklig ansträngning. Detta är vad kvantmekaniken tillåter, under vissa förutsättningar. Faktiskt, om de två dalarna har exakt samma form, du skulle samtidigt vara belägen i båda dalarna.

När det gäller ammoniak, den första dalen är lågenergin, stabilt paraplytillstånd. För att molekylen ska nå den andra dalen - det inverterade tillståndet, som har exakt samma lågenergi-klassiskt skulle den behöva stiga upp i ett mycket högenergistillstånd. Dock, kvantmekaniskt, den isolerade molekylen existerar med lika stor sannolikhet i båda dalarna.

Under kvantmekanik, de möjliga tillstånden i en molekyl, såsom ammoniak, beskrivs i termer av ett karakteristiskt energinivåmönster. Molekylen existerar initialt antingen i den normala eller inverterade strukturen, men den kan tunnelera spontant till den andra strukturen. Den tid som krävs för att tunneln ska ske är kodad i energinivåmönstret. Om barriären mellan de två strukturerna är hög, tunneltiden är lång. Under vissa omständigheter, såsom tillämpning av ett starkt elektriskt fält, tunnlar mellan de vanliga och inverterade strukturerna kan undertryckas.

För ammoniak, exponering för ett starkt elektriskt fält sänker energin i en struktur och höjer energin i den andra (inverterade) strukturen. Som ett resultat, alla ammoniakmolekyler finns i lägre energitillstånd. Forskarna demonstrerade detta genom att skapa en skiktad argon-ammoniak-argonstruktur vid 10 kelvin. Argon är en inert gas som är fast vid 10 K, men ammoniakmolekylerna kan rotera fritt i argonfastämnet. När det elektriska fältet ökas, ammoniakmolekylernas energitillstånd förändras på ett sådant sätt att sannolikheten att hitta molekylerna i normala och inverterade tillstånd blir allt mer långt ifrån varandra, och tunnling kan inte längre ske.

Denna effekt är helt reversibel och icke -destruktiv:När det elektriska fältet minskar, ammoniakmolekylerna återgår till sitt normala tillstånd samtidigt i båda brunnarna.

Sänka bommarna

För många molekyler, barriären för tunnelering är så hög att tunnling aldrig skulle ske under universums livslängd, Säger Field. Dock, det finns andra molekyler än ammoniak som kan induceras till tunnlar genom noggrann inställning av det applicerade elektriska fältet. Hans kollegor arbetar nu med att utnyttja detta tillvägagångssätt med några av dessa molekyler.

"Ammoniak är speciellt på grund av dess höga symmetri och det faktum att det förmodligen är det första exemplet någon någonsin skulle diskutera ur en kemisk synvinkel för tunneling, "Field säger." Men det finns många exempel där detta kan utnyttjas. Det elektriska fältet, för det är så stort, kan verka i samma skala som de faktiska kemiska interaktionerna, "erbjuder ett kraftfullt sätt att externt manipulera molekylär dynamik.