Chimie quantique : Molécules prises en flagrant délit de tunnel
Une percée après 15 ans de recherche
Les effets quantiques peuvent jouer un rôle important dans les réactions chimiques. Des physiciens dirigés par Roland Wester, de l'université d'Innsbruck, en Autriche, ont observé pour la première fois une réaction par effet tunnel de la mécanique quantique dans des expériences. Cette observation peut également être décrite exactement en théorie. Avec cette étude publiée dans Nature, les scientifiques fournissent une référence importante pour cet effet fondamental en chimie. Il s'agit de la réaction la plus lente avec des particules chargées jamais observée.
La mécanique quantique permet aux particules, grâce à leurs propriétés d'ondes mécaniques quantiques, de franchir la barrière énergétique (mur) et une réaction se produit.
Harald Ritsch, Universität Innsbruck
Les réactions par effet tunnel en chimie sont très difficiles à prévoir. La description exacte, du point de vue de la mécanique quantique, des réactions chimiques avec plus de trois particules est difficile, et avec plus de quatre particules, elle est presque impossible. Les théoriciens simulent ces réactions avec la physique classique et doivent négliger les effets quantiques. Mais où se situe la limite de cette description classique des réactions chimiques, qui ne peut fournir que des approximations ?
Roland Wester, du département de physique ionique et de physique appliquée de l'université d'Innsbruck, souhaite depuis longtemps explorer cette frontière. "Il faut une expérience qui permette des mesures très précises et qui puisse encore être décrite en mécanique quantique", explique le physicien expérimental. "L'idée m'est venue il y a 15 ans au cours d'une conversation avec un collègue lors d'une conférence aux États-Unis", se souvient M. Wester. Il voulait retracer l'effet tunnel de la mécanique quantique dans une réaction très simple.
Comme l'effet tunnel rend la réaction très improbable et donc lente, son observation expérimentale était extraordinairement difficile. Après plusieurs tentatives, l'équipe de Wester a toutefois réussi à le faire pour la première fois, comme elle le rapporte dans le numéro actuel de la revue Nature.
Une percée après 15 ans de recherche
L'équipe de Roland Wester a choisi l'hydrogène - l'élément le plus simple de l'univers - pour son expérience. Ils ont introduit du deutérium - un isotope de l'hydrogène - dans un piège à ions, l'ont refroidi, puis ont rempli le piège d'hydrogène gazeux. En raison des très basses températures, les ions de deutérium chargés négativement n'ont pas l'énergie nécessaire pour réagir avec les molécules d'hydrogène de manière classique. Dans de très rares cas, cependant, une réaction se produit lorsque les deux entrent en collision.
Cela est dû à l'effet tunnel : "La mécanique quantique permet aux particules de franchir la barrière énergétique grâce à leurs propriétés d'ondes mécaniques quantiques, et une réaction se produit", explique le premier auteur de l'étude, Robert Wild. "Dans notre expérience, nous donnons aux réactions possibles dans le piège environ 15 minutes, puis nous déterminons la quantité d'ions hydrogène formés. À partir de leur nombre, nous pouvons déduire combien de fois une réaction s'est produite."
En 2018, les physiciens théoriques avaient calculé que dans ce système, l'effet tunnel quantique ne se produit que dans une collision sur cent milliards. Cela correspond très étroitement aux résultats maintenant mesurés à Innsbruck et, après 15 ans de recherche, confirme pour la première fois un modèle théorique précis pour l'effet tunnel dans une réaction chimique.
Les bases d'une meilleure compréhension
D'autres réactions chimiques pourraient exploiter l'effet tunnel. Pour la première fois, on dispose d'une mesure qui est également bien comprise dans la théorie scientifique. Sur cette base, la recherche peut développer des modèles théoriques plus simples pour les réactions chimiques et les tester sur la réaction qui a été démontrée avec succès.
L'effet tunnel est utilisé, par exemple, dans le microscope à effet tunnel et dans les mémoires flash. L'effet tunnel est également utilisé pour expliquer la désintégration alpha des noyaux atomiques. En incluant l'effet tunnel, certaines synthèses astrochimiques de molécules dans les nuages sombres interstellaires peuvent également être expliquées. L'expérience de l'équipe de Wester jette ainsi les bases d'une meilleure compréhension de nombreuses réactions chimiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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