Une molécule d'ammoniac, NH 3 , existe généralement sous la forme d'un parapluie, avec trois atomes d'hydrogène déployés dans un arrangement non planaire autour d'un atome d'azote central. Cette structure parapluie est très stable et devrait normalement nécessiter une grande quantité d'énergie pour être inversée.

Cependant, un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel permet à l'ammoniac et à d'autres molécules d'habiter simultanément des structures géométriques séparées par une barrière d'énergie prohibitive. Une équipe de chimistes qui comprend Robert Field, le professeur de chimie Robert T. Haslam et Bradley Dewey au MIT, a examiné ce phénomène en utilisant un très grand champ électrique pour supprimer l'occupation simultanée des molécules d'ammoniac dans les états normal et inversé.

"C'est un bel exemple du phénomène du tunnel, et il révèle une merveilleuse étrangeté de la mécanique quantique, " dit Champ, qui est l'un des auteurs principaux de l'étude.

Heon Kang, professeur de chimie à l'Université nationale de Séoul, est également un auteur principal de l'étude, qui paraît cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Youngwook Park et Hani Kang de l'Université nationale de Séoul sont également les auteurs de l'article.

Suppression de l'inversion

Les expérimentations, joué à l'Université nationale de Séoul, ont été rendues possibles par la nouvelle méthode des chercheurs pour appliquer un très grand champ électrique (jusqu'à 200, 000, 000 volts par mètre) à un échantillon pris en sandwich entre deux électrodes. Cet assemblage n'a que quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, et le champ électrique qui lui est appliqué génère des forces presque aussi fortes que les interactions entre molécules adjacentes.

"Nous pouvons appliquer ces champs immenses, qui sont presque de la même amplitude que les champs que subissent deux molécules lorsqu'elles se rapprochent, " Field dit. "Cela signifie que nous utilisons un moyen externe pour opérer sur un pied d'égalité avec ce que les molécules peuvent faire elles-mêmes."

Cela a permis aux chercheurs d'explorer l'effet tunnel quantique, un phénomène souvent utilisé dans les cours de chimie de premier cycle pour démontrer l'une des "fantasmagories" de la mécanique quantique, dit Champ.

Par analogie, imaginez que vous marchez dans une vallée. Pour atteindre la prochaine vallée, vous devez gravir une grande montagne, ce qui demande beaucoup de travail. Maintenant, imaginez que vous puissiez creuser un tunnel à travers la montagne pour atteindre la vallée suivante, sans réel effort requis. C'est ce que permet la mécanique quantique, sous certaines conditions. En réalité, si les deux vallées ont exactement la même forme, vous seriez situés simultanément dans les deux vallées.

Dans le cas de l'ammoniac, la première vallée est la basse énergie, État parapluie stable. Pour que la molécule atteigne l'autre vallée - l'état inversé, qui a exactement la même basse énergie - classiquement, il devrait monter dans un état de très haute énergie. Cependant, quantique mécaniquement, la molécule isolée existe avec une probabilité égale dans les deux vallées.

Sous la mécanique quantique, les états possibles d'une molécule, comme l'ammoniac, sont décrits en termes d'un modèle de niveau d'énergie caractéristique. La molécule existe initialement dans la structure normale ou inversée, mais il peut creuser spontanément un tunnel vers l'autre structure. Le temps requis pour que ce tunnel se produise est codé dans le modèle de niveau d'énergie. Si la barrière entre les deux structures est élevée, le temps de tunnel est long. Dans certaines circonstances, comme l'application d'un champ électrique intense, la création de tunnels entre les structures normales et inversées peut être supprimée.

Pour l'ammoniac, l'exposition à un fort champ électrique abaisse l'énergie d'une structure et augmente l'énergie de l'autre structure (inversée). Par conséquent, toutes les molécules d'ammoniac peuvent être trouvées dans l'état d'énergie inférieure. Les chercheurs l'ont démontré en créant une structure en couches d'argon-ammoniac-argon à 10 kelvins. L'argon est un gaz inerte solide à 10 K, mais les molécules d'ammoniac peuvent tourner librement dans l'argon solide. Au fur et à mesure que le champ électrique augmente, les états énergétiques des molécules d'ammoniac changent de telle manière que les probabilités de trouver les molécules dans les états normal et inversé deviennent de plus en plus éloignées, et le tunneling ne peut plus se produire.

Cet effet est totalement réversible et non destructif :au fur et à mesure que le champ électrique diminue, les molécules d'ammoniac reviennent à leur état normal d'être simultanément dans les deux puits.

Abaisser les barrières

Pour de nombreuses molécules, la barrière au tunneling est si élevée que le tunneling ne se produirait jamais pendant la durée de vie de l'univers, dit Champ. Cependant, il existe des molécules autres que l'ammoniac qui peuvent être induites à creuser un tunnel par un réglage minutieux du champ électrique appliqué. Ses collègues travaillent maintenant à exploiter cette approche avec certaines de ces molécules.

"L'ammoniac est spécial en raison de sa grande symétrie et du fait que c'est probablement le premier exemple dont quelqu'un discuterait d'un point de vue chimique du tunnel, ", dit Field. "Cependant, il existe de nombreux exemples où cela pourrait être exploité. Le champ électrique, parce qu'il est si grand, est capable d'agir à la même échelle que les interactions chimiques réelles, " offrant un moyen puissant de manipuler de l'extérieur la dynamique moléculaire.