奥地利因斯布鲁克大学研究团队利用离子阱囚禁冷却氘（氢的同位素），然后用氢分子填充离子阱，在低于二者反应能量阈值的条件下，氘负离子与氢分子在碰撞中发生了化学反应，从而首次观察到化学反应中的量子力学隧穿效应。该成果于3月1日发表在《自然》杂志上。
在气相反应、表面扩散和液相化学等场景下，当经典理论禁止相关反应发生时，量子隧穿效应就变得至关重要。然而，化学反应中的隧穿效应是很难预测的。由于量子动力学的高维特征，这种效应在理论上的计算非常困难。目前，可以在忽略量子效应的前提下用经典理论来模拟这些反应，但这种经典描述只能提供近似值，不可避免地存在局限性。同时，隧穿效应虽然能使反应发生，但几率比较低，实验观察非常困难。因斯布鲁克大学离子物理和应用物理系的Roland Wester长期以来专注于反应中的量子力学隧穿效应这一前沿领域。
Wester的团队选择了氢，宇宙中最简单的元素作为他们的实验对象。他们将氘引入到一个离子阱中将其冷却，然后再用氢气填充。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，在比较低的几率下，两者发生碰撞时仍会发生反应，这正是量子隧穿效应导致的。“由于波动性，量子力学允许粒子突破能量屏障并发生反应，”该工作的第一作者Robert Wild解释说。在实验中，研究者们给了离子阱中的可能反应大约15分钟时间，然后观测形成的氢离子数量，从它们的数量即可推出反应发生的几率。该实验结果与2018年理论物理学家所作出的预测吻合，即大约每千亿次碰撞中只发生一次量子隧穿。
根据这次实验结果，研究者们可以为更多化学反应构建更简洁的理论模型，并在现已被成功演示的反应上进行验证。此外，Wester团队的实验还为更好地理解许多化学反应奠定了基础。比如，隧穿效应用于扫描隧道显微镜和快闪存储器中，或者用来解释原子核的α衰变，以及一些星际暗云中分子的化学合成。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05727-z
报道链接：
https://phys.org/news/2023-03-quantum-chemistry-molecules-caught-tunneling.html
图1 由于波动性，量子力学允许粒子突破能量屏障（墙），并进行化学反应。