یکی از شگفت‌انگیزترین پدیده‌هایی که از زمان ظهور مکانیک کوانتومی کشف شده، «تونل‌زنی کوانتومی» است. پژوهشگران قصد دارند از جدیدترین یافته‌های خود پیرامون این پدیده، برای کشف نحوه تونل‌زنی کوانتومی در سرمای فضا استفاده کنند.

به گزارش ایسنا و به نقل از ادونسد ساینس نیوز، «تونل‌زنی کوانتومی»(Quantum tunneling)، توانایی یک ذره را برای غلبه کردن بر مانع نشان می‌دهد که ذره در فیزیک کلاسیک از عهده آن برنمی‌آید زیرا انرژی لازم را ندارد. این پدیده به دلیل «اصل عدم قطعیت»(Uncertainty Principle) مطرح‌شده توسط «ورنر هایزنبرگ»(Werner Heisenberg) به وجود می‌آید که به زبان ساده می‌گوید سرعت و موقعیت یک سیستم کوانتومی را نمی‌توان هم‌زمان به طور دقیق شناخت.

توصیف یک ذره به عنوان موج احتمال به این معناست که همیشه احتمال کمی وجود دارد که ذره بتواند در طرف دیگر یک مانع غیر قابل عبور ظاهر شود. هنگامی که ذره این کار را انجام می‌دهد، از مانع جهش نکرده، بلکه تونل‌زنی کوانتومی را از میان آن انجام داده است که بر خلاف تونل‌زنی سنتی، تأثیری بر خود مانع ندارد.

به عنوان قیاس، کودکی را در حال پرتاب کردن توپ به سوی یک دیوار بلند تصور کنید. کودک انرژی لازم را برای برداشتن دیوار ندارد اما توپ به طرف دیگر دیوار راه می‌یابد. باد قدرت بیشتری را به توپ نداده و هیچ سوراخی نیز در دیوار وجود ندارد که توپ از آن عبور کرده باشد اما با وجود این، توپ در طرف دیگر دیوار ظاهر شده است.

این مفهوم ممکن است مبهم به نظر برسد اما تونل‌زنی کوانتومی برای وجود خود حیات ضروری است. اگر هسته‌های هیدروژن نتوانند از آن برای غلبه بر دافعه الکترومغناطیسی که آنها را از هم دور نگه می‌دارد استفاده کنند، فرآیندهای هم‌جوشی گرماهسته‌ای که انرژی خورشید و هر ستاره دیگری را در کیهان تامین می‌کنند، امکان‌پذیر نخواهند بود. بدون تونل‌زنی کوانتومی، نور ستاره وجود نخواهد داشت و جهان مکانی سرد، تاریک و خالی خواهد بود. این جنبه غیر شهودی طبیعت در مقیاس‌های کوچک، مانند نیمه‌رساناها و محاسبات کوانتومی، کاربردهای فراوانی را در فیزیک، شیمی و فناوری دارد.

علاوه بر این، درک تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند به توسعه مواد و فناوری‌های جدید براساس اصول مکانیک کوانتومی کمک کند. حتی می‌توان از آن در حوزه پزشکی برای درمان سرطان استفاده کرد و این پدیده را برای دارورسانی و هدف قرار دادن سلول‌های تومور به کار برد.

آزمایش تونل‌زنی کوانتومی

جای تعجب نیست که پژوهشگران برای درک بهتر تونل‌زنی کوانتومی، تلاش بسیاری می‌کنند. پژوهش جدیدی که توسط پژوهشگران بخش دینامیک سطوح در «موسسه علوم چندرشته‌ای ماکس پلانک»(MPI for multidisciplinary sciences) انجام شده است، شکلی از این پدیده کوانتومی را بررسی می‌کند که «تونل‌زنی فاز متراکم تقویت‌شده با رزونانس» نام دارد.

«دیرک شوارتزر»(Dirk Schwarzer) از پژوهشگران این پروژه گفت: در فاز متراکم، مولکول‌های واکنش‌دهنده در «چاه‌های پتانسیل»(Potential wells) قرار می‌گیرند که توسط موانع از یکدیگر جدا شده‌اند. برای سیستم‌های کوانتومی ذرات محدود، تنها حالت‌های انرژی گسسته خاصی وجود دارند. اگر دو حالت در چاه‌های پتانسیل همسایه انرژی یکسان داشته باشند، به آن رزونانس می‌گویند. اگرچه پدیده تونل‌زنی رزونانس برای انتقال الکترون از موانع در ساختارهای چاه-کوانتوم به خوبی شناخته شده اما پیشتر هرگز در مورد ذرات سنگین حاضر در یک واکنش شیمیایی فاز متراکم مشاهده نشده است.

پژوهشگران در این پروژه، «همپاری» یا «ایزومریزاسیون»(Isomerization) یک مولکول مونوکسید کربن متصل به یک سطح کریستالی کلرید سدیم را بررسی کردند.

تونل‌زنی کوانتومی، با احتمال یافتن یک ذره در طرف مقابل یک مانع تعریف می‌شود. پژوهشگران با آزمایش‌های خود، به طور کاملا تصادفی دریافتند که این احتمال در سیستم‌های رزونانس در مقایسه با سیستم‌هایی که در رزونانس نیستند، افزایش می‌یابد. آنها یک کشف شگفت‌آور دیگر را نیز به دست آوردند.

شوارتزر گفت: در پایدارترین پیکربندی، مولکول مونوکسید کربن با اتم کربن خود به یون سدیم روی سطح متصل می‌شود. ما متوجه شدیم که یک پیکربندی وارونه ناپایدار با اکسیژن متصل به یون سدیم نیز وجود دارد. ما یاد گرفتیم که حالت وارونه را آماده کنیم. سپس، سرعت واکنش برگشتی را در مقابل دما اندازه‌گیری کردیم و از همه مهم‌تر اینکه جرم واکنش‌دهنده را با تبادل ایزوتوپی تغییر دادیم.

وی افزود: سرعت واکنش اندازه‌گیری‌شده توسط گروه ما، یک وابستگی غیرمنتظره قوی را نشان می‌دهد که تنها با فرض تونل‌زنی رزونانس قابل توضیح دادن است.

فرار از چاه کوانتومی

امواج مرتبط با ذرات که «امواج مادی» یا «امواج دوبروی»(de Broglie waves) نامیده می‌شوند، امواجی هستند که با کاهش جرم ذرات، اندازه آنها افزایش می‌یابد. به همین دلیل است که اشیای روزمره، رفتارهای کوانتومی و موج‌مانند را از خود نشان نمی‌دهند. جرم آنها خیلی زیاد است و امواج دوبروی آنها خیلی کوچک هستند.

یک بار دیگر، توپی را تصور کنید که کودکی بدون انرژی لازم برای برداشتن دیوار، آن را پرتاب می‌کند. توپ نمی‌تواند تونل کوانتومی را به سمت دیگر بکشد زیرا جرم آن، موج احتمالی بسیار کوچکی را ایجاد می‌کند که نمی‌تواند به طرف دیگر مانع برود. تئوری‌های کوانتومی رایج پیش‌بینی می‌کنند که هر چه جرم یک ذره کمتر باشد، موج دوبروی آن بزرگ‌تر است و احتمال تونل‌زنی کوانتومی ذره از میان یک مانع بیشتر می‌شود.

این بدان معناست که وقتی تعداد زیادی ذرات سبک‌تر و ذرات سنگین‌تر و سد کوانتومی دارید، هر دو ذره تونل‌زنی می‌کنند اما ذرات سبک‌تر، تونل‌زنی کوانتومی را سریع‌تر از ذرات سنگین انجام می‌دهند. آنچه شوارتزر و همکارانش دریافتند، این بود که رابطه بین تونل‌زنی کوانتومی، در واقع بیش از آنچه پیشتر تصور می‌شد آشفته است.

شوارتزر ادامه داد: ما در پژوهش‌های خود به ‌طور شگفت‌انگیزی نمونه‌هایی را پیدا کردیم که در آنها، میزان تونل‌زنی با افزایش جرم به واسطه جایگزینی ایزوتوپی افزایش می‌یابد. این مشاهدات، نشانه روشنی از رزونانس تونل‌زنی است که وقوع آن به صورت نامنظم به جرم بستگی دارد.

این گروه پژوهشی اکنون قصد دارند آموخته‌های خود را در مورد چگونگی تونل‌زنی در سرمای فضا، به ویژه در ابرهای گاز و غباری که بین ستاره‌ها وجود دارند، به کار بگیرند و پتانسیل آنها را برای ایجاد مولکول‌های پیچیده از طریق تونل‌زنی کوانتومی بررسی کنند.

شوارتزر توضیح داد: این امر به ویژه به واکنش‌های شیمیایی مرتبط است که در ابرهای بین‌ستاره‌ای سرد رخ می‌دهند. در آنجا دما و انرژی آن قدر پایین است که فرآیندهای «عبور از مانع» سرکوب می‌شوند و اعتقاد بر این است که تعیین بسیاری از واکنش‌ها کاملا توسط تونل‌زنی کوانتومی صورت می‌گیرد.

حتی پیش از این کاربرد نیز پژوهش حاضر نشان می‌دهد که تحقیقات کوانتومی از آغاز تا چه اندازه پیشرفت کرده‌اند و چگونه به کشف شگفتی‌ها ادامه می‌دهند.

این پژوهش، در مجله «Natural Sciences» به چاپ رسید.