C'è di più nel tunneling quantistico di quanto sembri - o meglio, la tecnica di visualizzazione (Il tunneling quantistico è un fenomeno della meccanica quantistica in cui una particella passa attraverso uno stato energetico classicamente proibito.) La maggior parte delle discussioni sul tunneling quantistico si concentra sul tunneling incoerente di una singola particella; d'altra parte, il tunneling quantistico nel contesto della dinamica dei protoni di solito coinvolge molti legami idrogeno contemporaneamente, che porta a ciò che è noto come tunneling a molti corpi correlato . (Il problema a molti corpi si riferisce alle proprietà dei sistemi microscopici descritti dalla meccanica quantistica, comprendente un gran numero di particelle interagenti, ovvero ≥ 3 – che può rimanere impigliato.) Lo svantaggio è che mentre il tunneling di una singola particella è ben compreso, il tunneling a molti corpi è ancora avvolto nel mistero. Recentemente, però, scienziati dell'Università di Pechino, Pechino ha riportato l'osservazione nello spazio reale del tunneling protonico concertato in un tetramero d'acqua ciclico - un nanocluster macromolecolare costituito da quattro molecole d'acqua disposte in un anello o anello - utilizzando un microscopio a effetto tunnel criogenico (STM). Gli scienziati hanno scoperto che la presenza del Cl ^- l'anione cloro (uno ione cloro caricato negativamente) all'apice della punta dell'STM può aumentare o sopprimere il processo di tunneling concertato basato sulla simmetria di accoppiamento tra lo ione e i protoni, aggiungendo che il loro lavoro potrebbe consentire il controllo degli stati quantistici dei protoni con precisione su scala atomica.

Il prof. Ying Jiang ha discusso il documento che lui, Il prof. En-Ge Wang e i suoi colleghi hanno pubblicato in Fisica della natura , notando che una delle principali sfide che hanno incontrato è stata la visualizzazione diretta del tunneling concertato di quattro protoni in un singolo tetramero d'acqua legato all'idrogeno adsorbito su un film di halite supportato da oro. "Un requisito fondamentale è localizzare nello spazio reale la posizione dei protoni all'interno della rete di legami a idrogeno, tale che il moto dei protoni possa essere seguito, "Jiang racconta Phys.org . "Questo è estremamente difficile per qualsiasi microscopio a causa della massa leggera e delle piccole dimensioni dei protoni - e ancora peggio è che la distanza di viaggio dei protoni attraverso i legami idrogeno è inferiore a un ångström (10 ^-10 m). Di conseguenza, affrontare questo problema richiede idealmente la capacità di accedere al grado di libertà interno della molecola d'acqua. Fortunatamente, l'anno scorso abbiamo sviluppato una nuova tecnica di imaging submolecolare ¹ che ci consente di discriminare l'orientamento delle molecole d'acqua e la direzionalità del legame idrogeno." Questa tecnica è ciò che ha spianato la strada agli scienziati per affrontare la dinamica dei protoni all'interno della rete legata all'idrogeno.

"Per di più, "Jiang continua, "il tunneling concertato o il tunneling correlato a molti corpi dei protoni è estremamente sensibile all'ambiente su scala atomica, e può essere facilmente disturbato o addirittura ucciso dalle sonde." Ciò è dovuto al fatto che il tunneling concertato dei protoni è un processo quantistico coerente, che richiede che tutti i protoni abbiano esattamente la stessa fase - e l'accoppiamento asimmetrico tra le sonde e i protoni può distruggere la correlazione di fase tra i protoni e spegnere il tunneling collettivo. "In altre parole, si può facilmente rovinare questo processo di tunneling concertato solo perché la punta STM non è nella posizione corretta. Perciò, dobbiamo posizionare la punta STM in modo molto preciso all'interno del tetramero d'acqua per garantire l'accoppiamento simmetrico, dove i quattro protoni sono tutti ugualmente accoppiati con la punta STM." La ricerca di una posizione così precisa richiede molta cura e pazienza:se la punta STM è fuori da soli 10 picometri (10 ^-12 m), i ricercatori possono ottenere risultati completamente diversi.

Un altro problema è stato scoprire che la presenza dell'anione cloro all'apice della punta dell'STM può aumentare o sopprimere il processo di tunneling concertato, a seconda dei dettagli della simmetria di accoppiamento tra l'anione Cl e i protoni. "Devo sottolineare che è molto più difficile controllare il tunneling concertato dei protoni che visualizzare semplicemente questo processo:significa che si devono manipolare contemporaneamente diverse particelle quantistiche nello spazio reale". Questo è, mentre la punta STM non funge solo da sonda locale, ma può essere usato per manipolare i singoli atomi o molecole sulla superficie con precisione su scala atomica, manipolare gli stati a molti corpi è impegnativo. "È essenziale mantenere sempre la geometria di accoppiamento tra la punta STM e quattro protoni in modo simmetrico durante la manipolazione, " fa notare Jiang. "Altrimenti, il tunneling concertato è facilmente soppresso o addirittura spento."

Inoltre, Jiang continua, l'anione Cl all'apice della punta è molto importante per ottenere la manipolazione efficiente del tunneling protonico concertato. "Ad essere onesti, in realtà lo abbiamo imparato da un incidente:per mesi, abbiamo cercato di controllare il processo di tunneling concertato con una punta di metallo nudo, ma tutti i tentativi sono falliti. Un giorno la punta si è schiantata contro il substrato di pellicola di cloruro di sodio supportato da oro a causa di un'operazione difettosa. inaspettatamente, usando questo "cattivo" suggerimento, siamo stati in grado di aumentare la velocità di tunneling in modo molto efficiente." Gli scienziati hanno successivamente determinato che ciò si è verificato perché la punta ha raccolto un atomo di cloro dalla superficie del cloruro di sodio - e poiché l'atomo di cloro è di natura elettronegativa, la punta è caricata negativamente. L'interazione elettrica a lungo raggio tra l'atomo di cloro caricato negativamente ei protoni caricati positivamente porta quindi alla soppressione della barriera tunnel.

"Senza il Cl ^- Consiglio, il protone deve viaggiare per una lunga distanza da una molecola d'acqua all'altra, e la barriera energetica è piuttosto alta. Inserendo un anione cloro tra le molecole d'acqua si stabilisce un 'ponte' per i protoni. L'attrazione di Cl ^- aiuta i protoni, com'era, e quindi aiuta il processo di trasferimento di protoni, " Jiang spiega, "Questa è l'analogia fisica del motivo per cui la barriera energetica viene soppressa dall'accoppiamento punta/protone".

After this accidental tip crashing, the researchers invested quite some time to explore a controllable and reproducible way to functionalize the tip apex with a single chlorine atom. "We discovered that chlorine atoms on the sodium chloride surface seemed very 'tip-friendly.'" Once they manipulated a bare tip to closely approach the NaCl(001) surface – that is, one in which crystalline cleavage occurs parallel to the faces of a cube – and then applied the proper voltage pulse, the chlorine atom readily translocated onto the tip end and became very stable.

Inoltre, further lowering of the tip height leads to continuous decrease of the barrier because the electric interaction gets stronger – and if the tunneling barrier can be suppressed to such an extent that the zero-point energy of the protons exceeds the barrier height, an extreme quantum effect – that is, complete quantum delocalization – may occur. "In such a case, " Jiang notes, "the protons are shared by two nearest-neighboring water molecules, and the originally asymmetric hydrogen bond then becomes symmetric. This is a much stronger quantum effect than quantum tunneling, which we are still struggling to explore."

A third challenge was tuning the Cl ^- /proton electric coupling in three dimensions with picometer precision. "It's no exaggeration to say that tuning the coupling of protons to the atomic-scale environment in three dimensions with picometer precision is not possible with any technique other than STM. With the combination of the tip height z and tip lateral position X, sì , we can actually achieve any coupling geometry between the Cl anion and the protons." Due to the high stability of their STM, the precision for tuning the dimensions can get down to one picometer or better, which is essential for controlling the many-body quantum states of protons. "We were very surprised to see that 10 picometer change in the tip height (z direction) can lead to almost one order of magnitude difference in the tunneling rate. This again shows the extreme sensitivity of the many-body tunneling to the atomic-scale environment, which has never been observed before."

The paper details how the scientists explored the role of individual chlorine anions in influencing the correlated tunneling process by using the Cl ^- -terminated tip, which if located at the exact center of the water tetramer, the Cl anion on the tip apex is equally coupled with the four protons and the cooperativity of the protons is reserved. ( Cooperativity is a phenomenon displayed by systems involving identical or near-identical elements, which act non-independently of each other, relative to a hypothetical standard non-interacting system in which the individual elements are acting independently.) "The tunneling probability can be greatly enhanced by the Cl ^- /proton electric attraction – but if the tip is slightly moved off the center at, Per esempio, the picometer scale, asymmetric coupling occurs. If that occurs, even if the Cl ^- /proton electric attraction is still present, the phase coherence between the protons can be easily destroyed due to inequivalent coupling between the protons and the chlorine anion. In tal caso, the four protons can hardly move at the same pace and one would expect a rapid quenching of the correlated tunneling process."

When asked about the significant implications and potential applications of controlling the quantum states of protons with atomic-scale precision as made possible by their work, Jiang told Phys.org that the ability to control the quantum states of protons "can certainly improve our understanding of the role of quantum mechanics in proton dynamics, such as phase transition in ices of high-pressure phases. It may also provide completely new routes for the design of new energy, new medicine and new functional materials related to proton transfer."

Jiang adds that a less straightforward but very ambitious application is quantum computing. "The two many-body states of the four protons can be adopted to build a qubit, which is essential in quantum computing. If there is a way to decouple the water tetramer from the environment, we should be able to observe the superposition of the two many-body states. Però, the biggest challenge lies in how to realize coherent control on and readout of the two many-body states. Since scattering by tunneling electrons from the STM tip tends to destroy the quantum coherence of protons, it seems that we need to develop new techniques other than STM to realize such control."

Moving forward with their research, the scientists are now trying to build larger hydrogen-bonded water clusters on substrates to explore more novel correlated quantum behaviors of protons. "We're also curious about the upper limit of the number of protons at which cooperativity and tunnel collectively" – that is, correlated many-body tunneling – "can be maintained. Another thing we're planning to do is using an accurately-engineered STM tip to further suppress the tunneling barrier such that the zero-point motion of protons can surpass the energy barrier. We then expect to visualize the complete quantum delocalization at single proton level."

One innovation the researchers are interested in developing is achieving coherent control on the many-body quantum states of protons, as described above; another is improving the temporal resolution of their STM system, such that they can closely follow the coherent evolution of the many-body states in real time. "These new techniques may well make it possible to observe the Rabi oscillation of proton states, which is a common phenomenon for photon- or spin-based two-level systems." The Rabi oscillation, or Rabi cycle, is the cyclic behavior of a two-state (with non-equal energies) quantum system important in quantum optics, nuclear magnetic resonance and quantum computing that, in the presence of an oscillatory driving field, can become excited when it absorbs a quantum of energy.

As to other areas of research that might benefit from the study, Jiang tells Phys.org that "the improved understanding and the real-space control of correlated proton tunneling may have great impact in an extremely broad spectrum of research fields, such as phase transition, signal transduction, topological organic ferroelectrics, fotosintesi, and enzyme catalysis, to name just a few."

© 2015 Phys.org