Bir Kuantum Tünelleme Olayının Olasılığı Yüz Milyarda Bir

Tünelleme olarak bilinen nadir fakat çok önemli kuantum olgusunun meydana gelme hızı, ilk kez deneysel olarak ölçüldü ve teorik hesaplamalarla eşleştiği bulundu. Bu alandaki teorik tahminler oldukça belirsiz olarak kabul edilmiştir, bu nedenle belirli bir durumda doğrulama, diğer tünelleme olaylarının sıklığını tahmin etmede daha fazla güven sağlar.

Kuantum tünelleme, atomaltı parçacıkların klasik fiziğin imkansız dediği şekillerde davrandığı birçok olgudan biridir. Bu durumda, klasik olarak kaçmak için belirli bir enerji gerektiren bir şekilde tuzağa düşmüş bir nesne, bu miktardan daha az enerjiye sahip olmasına rağmen tuzaktan çıkar. Bu, elektronlar gibi nesnelerin ikili dalga/parçacık doğasının bir sonucu ve kanıtıdır - saf bir parçacık kaçamaz, ancak bir dalga bazen kaçabilir. Atom çekirdeğinin alfa bozunması gibi olgular, kuantum tünellemesinin gerçekleşmesine bağlıdır.

Tünelleme, kuantum fiziği için esastır ve lisans derslerinde basit örneklere dayalı hesaplamalar yapılır. Bununla birlikte, gerçek dünya örnekleri çok daha karmaşıktır; tünellemenin belirli bir durumda bazen gerçekleşeceğini bilmekle, ne sıklıkta olacağını bilmek çok farklı şeylerdir. Yeni bir makalede, Universität Innsbruck'taki bir ekip, bir hidrojen molekülü ile bir döteryum anyonu arasındaki reaksiyonun ilk ölçümünü sağlıyor ve bunun şimdiye kadar gözlemlenen yüklü parçacıkları içeren en yavaş reaksiyon olduğunu buluyor.

Reaksiyon (H₂ + D⁻ → H⁻ + HD), iki hidrojen atomundan - nötronsuz protonlar - oluşan bir molekül ile iki elektron tarafından yörüngede dönülen bir proton ve nötrondan oluşan bir atom arasındaki bir geçişi içerir. Tünelleme meydana geldikten sonra, molekülün bileşenlerinden biri bir nötrona sahipken, hala negatif yüklü olan bağlanmamış atom nötronsuzdur. Bir nötron aktarılmış gibi görünse de, reaksiyonun proton değişimini temsil ettiği düşünülmektedir.

Hidrojen hala evrenin çoğunu oluşturduğundan, daha ağır elementler gerektirmeyen bunun gibi olaylar, hidrojen ve döteryum arasındaki herhangi bir spesifik karşılaşmanın düşük olma ihtimaline rağmen, kozmik ölçekte çok sık meydana gelir. Ayrıca, daha karmaşık tünelleme olaylarını modellemek için herhangi bir umudumuz olacaksa, tahminlerimizi bunun gibi daha basit örneklerin ölçümleriyle sabitlememiz gerekir.

Innsbruck ekibi, bir tuzağı 10 K'ye (-263°C) soğutulmuş (çarpışmalarla 15 K'ye ısıtılmış) döteryum iyonları ve hidrojen gazı karışımıyla doldurarak oluşum oranını deneysel olarak test etti. Bu sıcaklıklarda transfer klasik olarak imkansızdır, ancak 15 dakika sonra negatif yüklü hidrojen iyonlarının varlığı, sık olmasa da bunun gerçekleştiğini gösterdi.

Hız saniyede kübik santimetre olarak ölçülür ve saniyede 5,2 × 10⁻²⁰ santimetreküplük bir değer verir, yaklaşık üçte birlik bir hata payı vardır ki bunun bir kuantum fizikçisi dışında kimse için pek bir şey ifade etmesi muhtemel değil.

Bununla birlikte, bir döteryum anyonunun bir hidrojen molekülü ile çarpışmasında her yüz milyarda bir gerçekleşen transfer anlamına gelir. Bu, endişe edilmeyecek kadar nadir görünebilir, ancak küçük bir gaz parçası bile milyarlarca molekül içerir. Yeterince döteryum ekleyin ve çarpışmaların sayısı muazzam hale gelir.

Kıdemli yazar Profesör Roland Wester, bir açıklamada, hızı ölçmek "çok hassas ölçümlere izin veren ve yine de kuantum mekaniği olarak tanımlanabilen bir deney gerektiriyor." dedi. Deney fikri, Wester'a 15 yıl önce geldi, ancak tünelleme o kadar nadir ki, ölçülebileceği bir deney inşa etmek büyük çaba gerektirdi.

Çalışma Nature'da yayınlandı.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.