Квантовая механика аммиака

Квантовые эффекты в молекуле аммиака приводят к тому, что атомы водорода и азота могут образовывать очень невыгодные геометрические структуры.

Молекула аммиака NH₃ обычно существует в форме зонтика, в котором атомы водорода располагаются вокруг центрального атома азота в трех плоскостях. Эта структура очень стабильна, чтобы ее изменить требуется большое количество энергии. Однако квантовое явление, называемое туннелированием (преодоление элементарной частицей энергетического барьера, который больше энергии самой частицы) позволяет аммиаку образовывать другие геометрические структуры, отличающиеся чрезвычайно высоким энергетическим барьером.

В Сеульском университете проводились испытания с наложением на электроды большого электрического поля (до 200 млн вольт на метр). При этом возникают силы, сопоставимые с силой взаимодействия соседних молекул.

Если продолжать сравнивать молекулу аммиака с зонтиком, то она имеет два низкоэнергетических состояния (сложенный зонтик и вывернутый порывом ветра). Чтобы молекула перешла из одного состояния в другое, теоретически ей необходимо подняться на очень высокий уровень (порыв ветра) и снова опуститься. В рамках квантовой механики две разновидности молекулы аммиака могут туннелировать из одной в другую, но для этого надо много времени. При наложении электрического поля туннелирование подавляется. Возможно достичь такого состояния, когда вероятность нахождения аммиака в нормальном и инвертированном состоянии расходится и в конце концов туннелирование становится невозможным. Этот эффект является обратимым и неразрушающим, его можно повторять многократно.

Сделанное открытие, помимо чисто научного интереса, несет в себе возможность манипулирования химическими реакциями с помощью наложения электрического поля.

Источник: phys.org