这篇Nature给出了量子隧穿的实验证据！

▲第一作者：Robert Wild

通讯作者：Roland Wester

通讯单位：奥地利因斯布鲁克大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05727-z

01
背景介绍

当经典路径在能量上被禁止时，量子隧道反应在化学中扮演着重要的角色，无论是在气相反应、表面扩散还是液相化学中。一般来说，考虑到量子动力学的高维性，这种隧穿反应在理论上很难计算，在实验上也很难识别。然而，含氢体系允许进行精确的第一性原理计算。这样计算了氢分子与氘阴离子的气相质子转移隧穿反应H₂+D^-→H^-+HD的速率，但迄今缺乏实验验证。

02
本文亮点

1.在这里，本工作提出了在低温22-极离子阱中进行的反应速率的高灵敏度测量。本工作观察到一个极低的速率常数为(5.2±1.6)×10^-20 cm³ s^-1。

2.本工作表明，这个测量值与量子隧道计算一致，可以作为分子理论的基准，并促进对基本碰撞过程的理解。

3.在高H₂密度下观察到的反应速率偏离线性标度的现象可以追溯到之前未观察到的射频离子阱中的加热动力学。

03
图文解析

▲图1. 实验概述

要点：

1、图1a显示了最基本的离子-分子反应：从氢分子到氢原子阴离子的质子转移反应。该反应可以通过隧道穿过其中间势垒来进行，当与氘阴离子作用时，可以通过振动零点能差来制造放能的。

2、一旦离子冷却，更多的氢气被加入到阱中并保持恒定密度。在选定的相互作用时间后，离子从阱中排出，通过飞行时间质谱(ToF)进行质量选择性测量。

3、图1b显示了在2.8×10¹⁴ cm^-3的密度下，经过950 s的捕获时间后，H^-离子的一个小峰随时间的变化，这表明H₂+D-→H^-+HD反应实际上正在发生。尽管密度很高，但没有发现三体重组产物的证据。

▲图2. 离子-分子反应动力学

▲图3. 速率和速度分布的密度依赖性

要点：

1、图2给出了不同H₂密度下测量H-分数随相互作用时间变化的例子。对D^-峰的衰减进行单独拟合，得到D^-背景损失率和H^-增长率之和。少量的初始H^-来自于陷阱装载：由于高能D^-在初始冷却过程中与H₂缓冲气体碰撞，部分H^-通过经典的过垒反应产生。

2、在较高的密度下，反应速率与线性行为出现了强烈的偏离，并伴随着H-的陷阱损失率的增加，如图3b所示。据本工作所知，这种非线性行为在陷阱中的离子-分子动力学中还没有报道过。

3、为了理解这一现象，本工作必须仔细观察射频离子阱中的速度分布。对于两种不同的氢密度，模拟的相对速度分布绘制在图3c中，并用Tsallis分布函数进行拟合。高能量尾在高密度下显著增加，这是以前在多极离子阱中没有观察到的现象。这可以定性地理解为源于致密缓冲气体中囚禁离子的小平均自由程。

▲图4. 隧道掘进速率系数与理论对比

要点：

1、在低密度极限下，失控加热不存在。图3a中最低三个密度的速率测量符合线性的密度依赖关系，并且H-损失率在这里保持相当恒定。因此，可以根据这些数据点的斜率确定反应速率系数，并绘制在图4中。

2、蓝色和红色的长虚线分别表示邻位H₂和对位H₂的理论，紫色实线为加权平均，代表本实验中使用的正常H₂。这再次说明，对于正常H₂，实测速率系数与理论速率非常吻合。

3、在此温度范围内，速率系数以隧道效应为主。这从图4中的短虚线变得特别清楚，这些短虚线显示了只考虑无隧道效应的过垒反应时的理论速率系数。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05727-z