Après quinze ans d’expérimentation, un groupe de chercheurs a réussi à prouver des prédictions théoriques sur le comportement quantique des molécules. Ils ont observé pour la première fois un effet dit tunnel, dans lequel un atome plonge dans une molécule avec un saut quantique.
L’effet tunnel ou effet tunnel quantique, est un phénomène insaisissable, rare et difficile à prévoir. Les lois de la mécanique quantique permettent aux atomes de franchir parfois une barrière énergétique qui est en réalité trop élevée pour eux. L’effet peut parfois permettre une réaction chimique pour laquelle pas assez d’énergie est réellement disponible.
Un groupe de recherche autrichien a maintenant observé cet effet tunnel pour la première fois dans une réaction chimique pour laquelle un calcul précis était également possible. Les théoriciens peuvent pousser un soupir de soulagement. Le Résultats étayent leurs prédictions.
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Effet tunnel quantique
De telles prédictions sont basées sur des simulations mécaniques quantiques de réactions, qui deviennent rapidement extrêmement complexes. Si trois ou quatre particules – atomes et/ou molécules – sont impliquées dans une réaction, ce n’est qu’une question de temps pour les théoriciens de calculer quand l’effet tunnel se produira. Mais si plus de quatre particules sont impliquées, les calculs sont si complexes qu’une prédiction théorique est presque impossible.
C’est pourquoi les scientifiques simulent normalement des réactions chimiques avec des modèles informatiques qui ignorent largement les effets quantiques. Mais est-ce toujours vrai ? Les scientifiques comprennent-ils suffisamment bien les effets quantiques pour construire de tels modèles ?
L’expérience
Pour déterminer cela, une expérience est nécessaire dans laquelle l’effet tunnel se produit, est facilement mesurable et la réaction est suffisamment simple pour calculer avec précision les effets mécaniques quantiques.
“Au cours d’une conversation avec un collègue, nous avons eu l’idée de l’expérience”, écrit le physicien. Roland Wester de l’Université d’Innsbruck en Autriche. “Nous avons choisi la réaction du deutérium chargé négativement (une variante lourde de l’hydrogène, DS) avec l’hydrogène gazeux.” Les molécules d’hydrogène sont constituées de deux atomes d’hydrogène.
Dans l’expérience, Wester et ses collègues ont piégé le deutérium et l’ont refroidi à -253 degrés Celsius. Ensuite, ils ont ajouté de l’hydrogène gazeux. Normalement, les deux réagissent l’un avec l’autre pour former des atomes d’hydrogène libres et chargés négativement et des molécules composées de deutérium et d’hydrogène. Mais à basse température dans l’expérience, les particules de deutérium n’ont pas assez d’énergie pour cette réaction.
La seule façon dont les molécules de deutérium-hydrogène peuvent se former est via le rare effet tunnel quantique, dans lequel les particules de deutérium peuvent faire un saut quantique très occasionnellement. De cette manière, ils surmontent la barrière énergétique et peuvent encore réagir avec l’hydrogène gazeux.
15 ans d’expérimentation
Ces sauts quantiques sont rares. Pour déterminer leur fréquence, les chercheurs ont réuni plusieurs particules de deutérium et molécules d’hydrogène. Ensuite, ils ont attendu 15 minutes et ont regardé combien d’atomes d’hydrogène libres et chargés négativement s’étaient formés. Cela indiquait combien de sauts quantiques avaient eu lieu.
En d’autres termes, cette expérience semble assez simple : rassemblez le deutérium et l’hydrogène gazeux, attendez 15 minutes et comptez les atomes d’hydrogène. Mais il a fallu 15 ans pour construire et affiner l’expérience afin qu’elle soit suffisamment sensible pour mesurer cela. Maintenant, c’est enfin arrivé. Les résultats confirment les calculs de mécanique quantique qui attendaient le résultat de l’expérience depuis 2018.
Wester : « Nos mesures ont montré que les calculs sont en effet exacts. Cela donne l’assurance que de tels calculs peuvent également être effectués pour d’autres systèmes afin de fournir un aperçu plus large du rôle de l’effet tunnel quantique dans la chimie.
