Les réactions tunnel quantiques sont essentielles en chimie lorsque les voies classiques sont énergétiquement interdites. De telles réactions sont assez difficiles à calculer théoriquement en raison de la grande dimensionnalité de la dynamique quantique. Ils sont également difficiles à identifier dans les expériences.
Maintenant, pour la première fois, des physiciens du Roland Wester de l’Université d’Innsbruck ont observé une réaction de tunnel mécanique quantique dans des expériences. C’est la réaction la plus lente jamais observée avec des particules chargées.
Roland Wester du Département de physique ionique et de physique appliquée de l’Université d’Innsbruck a déclaré : « Cela nécessite une expérience qui permet des mesures exactes et qui peut encore être décrite par la mécanique quantique. L’idée m’est venue il y a 15 ans lors d’une conversation avec un collègue lors d’une conférence aux États-Unis.
La réaction est incroyablement improbable et lente en raison de l’effet tunnel, ce qui rend l’observation expérimentale extrêmement difficile. Pourtant, pour la première fois, l’équipe de Wester a réussi à le faire après plusieurs tentatives infructueuses.
Ils ont utilisé de l’hydrogène pour l’expérience. Plus tard, ils ont utilisé du deutérium dans un piège à ions, l’ont refroidi et l’ont rempli d’hydrogène gazeux.
Les basses températures empêchent les ions deutérium chargés négativement de réagir avec les molécules d’hydrogène de manière typique. Pourtant, la collision des deux provoque parfois une réaction.
Le premier auteur de l’étude, Robert Wild, a dit, « L’effet tunnel provoque ceci : la mécanique quantique permet aux particules de franchir la barrière énergétique en raison de leurs propriétés ondulatoires mécaniques quantiques, et une réaction se produit. Dans notre expérience, nous donnons des réactions possibles dans le piège pendant environ 15 minutes puis déterminons le nombre d’ions hydrogène formés. De leur nombre, nous pouvons déduire la fréquence à laquelle une réaction s’est produite.
Plusieurs processus chimiques pourraient bénéficier de l’effet tunnel. Pour la première fois, une mesure également bien connue dans la théorie scientifique est désormais disponible. Sur cette base, les scientifiques peuvent créer des modèles théoriques de réactions chimiques plus simples et les tester en utilisant la réaction qui a déjà fait ses preuves.
Par exemple, le microscope à effet tunnel et les mémoires flash exploitent l’effet tunnel. L’effet tunnel explique également la désintégration alpha des noyaux atomiques. Certaines synthèses astrochimiques de molécules dans les nuages interstellaires sombres peuvent également être décrites par l’effet tunnel. Ainsi, l’expérience menée par l’équipe de Wester jette les bases d’une compréhension plus approfondie de plusieurs processus chimiques.
Référence de la revue :
- Robert Wild, Markus Nötzold, Malcolm Simpson, Thuy Dung Tran et Roland Wester. Effet tunnel mesuré dans une réaction ion-molécule très lente. DOI Nature 2023 : 10.1038/s41586-023-05727-z
