Una molecola di ammoniaca, NH ₃ , esiste tipicamente come una forma a ombrello, con tre atomi di idrogeno disposti a ventaglio in una disposizione non planare attorno a un atomo di azoto centrale. Questa struttura ad ombrello è molto stabile e normalmente dovrebbe richiedere una grande quantità di energia per essere invertita.

Però, un fenomeno quantomeccanico chiamato tunneling consente all'ammoniaca e ad altre molecole di abitare simultaneamente strutture geometriche separate da una barriera di energia proibitiva. Un team di chimici che include Robert Field, il professore di chimica Robert T. Haslam e Bradley Dewey al MIT, ha esaminato questo fenomeno utilizzando un campo elettrico molto ampio per sopprimere l'occupazione simultanea di molecole di ammoniaca negli stati normale e invertito.

"È un bellissimo esempio del fenomeno del tunneling, e rivela una meravigliosa stranezza della meccanica quantistica, "dice Campo, che è uno degli autori senior dello studio.

Heon Kang, un professore di chimica alla Seoul National University, è anche un autore senior dello studio, che appare questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Anche Youngwook Park e Hani Kang della Seoul National University sono autori del documento.

Sopprimere l'inversione

Gli esperimenti, eseguita presso la Seoul National University, sono stati abilitati dal nuovo metodo dei ricercatori per l'applicazione di un campo elettrico molto grande (fino a 200, 000, 000 volt per metro) a un campione inserito tra due elettrodi. Questo assieme è spesso solo poche centinaia di nanometri, e il campo elettrico ad esso applicato genera forze quasi altrettanto forti delle interazioni tra molecole adiacenti.

"Possiamo applicare questi enormi campi, che sono quasi della stessa grandezza dei campi che due molecole sperimentano quando si avvicinano l'una all'altra, " Field dice. "Ciò significa che stiamo usando un mezzo esterno per operare in condizioni di parità con ciò che le molecole possono fare da sole".

Ciò ha permesso ai ricercatori di esplorare il tunneling quantistico, un fenomeno spesso utilizzato nei corsi universitari di chimica per dimostrare una delle "inquietudine" della meccanica quantistica, dice il campo.

Per analogia, immagina di fare un'escursione in una valle. Per raggiungere la valle successiva, devi scalare una grande montagna, che richiede molto lavoro. Ora, immagina di poter scavare un tunnel attraverso la montagna per arrivare alla valle successiva, senza alcuno sforzo reale richiesto. Questo è ciò che la meccanica quantistica permette, a determinate condizioni. Infatti, se le due valli hanno esattamente la stessa forma, ti troveresti contemporaneamente in entrambe le valli.

Nel caso dell'ammoniaca, la prima valle è la bassa energia, stato ombrello stabile. Perché la molecola raggiunga l'altra valle, lo stato invertito, che ha esattamente la stessa bassa energia:classicamente avrebbe bisogno di ascendere in uno stato di energia molto alta. Però, meccanica quantistica, la molecola isolata esiste con uguale probabilità in entrambe le valli.

Sotto la meccanica quantistica, i possibili stati di una molecola, come l'ammoniaca, sono descritti in termini di un modello caratteristico del livello di energia. La molecola inizialmente esiste nella struttura normale o invertita, ma può scavare spontaneamente nell'altra struttura. La quantità di tempo necessaria per il verificarsi di tale tunneling è codificata nel modello del livello di energia. Se la barriera tra le due strutture è alta, il tempo di tunneling è lungo. In determinate circostanze, come l'applicazione di un forte campo elettrico, il tunneling tra le strutture regolari e invertite può essere soppresso.

Per l'ammoniaca l'esposizione a un forte campo elettrico riduce l'energia di una struttura e aumenta l'energia dell'altra struttura (invertita). Di conseguenza, tutte le molecole di ammoniaca si trovano nello stato energetico inferiore. I ricercatori lo hanno dimostrato creando una struttura stratificata argon-ammoniaca-argon a 10 kelvin. L'argon è un gas inerte solido a 10 K, ma le molecole di ammoniaca possono ruotare liberamente nel solido di argon. All'aumentare del campo elettrico, gli stati energetici delle molecole di ammoniaca cambiano in modo tale che le probabilità di trovare le molecole negli stati normale e invertito diventano sempre più distanti, e il tunneling non può più verificarsi.

Questo effetto è completamente reversibile e non distruttivo:quando il campo elettrico diminuisce, le molecole di ammoniaca ritornano al loro stato normale di essere simultaneamente in entrambi i pozzetti.

Abbassare le barriere

Per molte molecole, la barriera al tunneling è così alta che il tunneling non accadrebbe mai durante la vita dell'universo, dice il campo. Però, esistono molecole diverse dall'ammoniaca che possono essere indotte a tunneling mediante un'attenta sintonizzazione del campo elettrico applicato. I suoi colleghi stanno ora lavorando per sfruttare questo approccio con alcune di quelle molecole.

"L'ammoniaca è speciale per la sua elevata simmetria e per il fatto che è probabilmente il primo esempio che qualcuno discuterebbe da un punto di vista chimico di tunneling, " dice Field. "Tuttavia, ci sono molti esempi in cui questo potrebbe essere sfruttato. Il campo elettrico, perché è così grande, è in grado di agire sulla stessa scala delle effettive interazioni chimiche, " offrendo un modo potente di manipolare esternamente le dinamiche molecolari.