Il tunneling quantistico è un fenomeno che, secondo le leggi della fisica classica, dovrebbe essere impossibile. Tuttavia, solo recentemente si è scoperto quanto sia effettivamente raro osservare esempi reali di questo evento. Il tunneling quantistico è uno dei tanti fenomeni in cui le particelle subatomiche si comportano in modi che la fisica classica definirebbe impossibili. In questo caso specifico, un oggetto intrappolato in un modo che classicamente richiederebbe una certa energia per sfuggire, lascia la trappola nonostante abbia meno energia di quella necessaria. È una conseguenza, e una prova, della doppia natura onda/particella di oggetti come gli elettroni: una pura particella non potrebbe sfuggire, ma un’onda a volte può. Fenomeni come il decadimento alfa dei nuclei atomici dipendono dal tunneling quantistico per verificarsi.
La misurazione del tunneling quantistico
Per la prima volta, il tasso al quale si verifica il raro ma cruciale fenomeno quantistico noto come tunneling è stato misurato sperimentalmente e si è scoperto che corrisponde ai calcoli teorici. Le stime teoriche in questo campo erano state considerate altamente incerte, quindi la conferma in un caso specifico permette una maggiore fiducia nel stimare la frequenza di altri eventi di tunneling. Il tunneling è essenziale per la fisica quantistica e i calcoli basati su semplici esempi sono impostati nei corsi universitari. Tuttavia, gli esempi reali sono considerevolmente più complessi; sapere che il tunneling si verificherà occasionalmente in una situazione specifica e sapere quanto spesso sono due cose molto diverse. In un nuovo articolo, un team dell’Universität Innsbruck fornisce la prima misura della reazione tra una molecola di idrogeno e un anione di deuterio, scoprendo che si tratta della reazione più lenta che coinvolge particelle cariche mai osservata.
La reazione tra idrogeno e deuterio
La reazione (H2 + D− → H− + HD) coinvolge uno scambio tra una molecola di due atomi di idrogeno – protoni senza neutroni – e un atomo costituito da un protone e un neutrone orbitato da due elettroni. Dopo che si verifica il tunneling, uno dei componenti della molecola ha un neutrone, mentre l’atomo non attaccato, ancora negativamente carico, è senza neutrone. Sebbene sembri che sia stato trasferito un neutrone, la reazione è considerata rappresentare uno scambio di protoni.
L’importanza del tunneling quantistico
Poiché l’idrogeno costituisce ancora la maggior parte dell’universo, eventi come questo che non richiedono elementi più pesanti avvengono molto frequentemente su scala cosmica, nonostante le probabilità in qualsiasi incontro specifico tra idrogeno e deuterio siano basse. Inoltre, se vogliamo avere qualche speranza di modellare eventi di tunneling più complessi, dobbiamo ancorare le nostre stime con misure di esempi più semplici come questo.
La sperimentazione e i risultati
Il team di Innsbruck ha testato il tasso di occorrenza sperimentalmente riempiendo una trappola con una miscela di ioni di deuterio raffreddati a 10 K (-263°C) (riscaldati dalle collisioni a 15 K) e gas di idrogeno. A queste temperature, il trasferimento è classicamente impossibile, ma la presenza di ioni di idrogeno negativamente carichi dopo 15 minuti ha indicato che era avvenuto, sebbene non spesso. Il tasso è misurato in centimetri cubi al secondo, dando un valore di 5.2 × 10−20 centimetri cubi al secondo, con un margine di errore di circa un terzo, che è improbabile che significhi molto per chiunque tranne che per un fisico quantistico. Tuttavia, si traduce in un trasferimento che si verifica una volta ogni cento miliardi di volte che un anione di deuterio collide con una molecola di idrogeno. Questo potrebbe sembrare troppo raro per preoccuparsene, ma anche una piccola porzione di gas contiene molti miliardi di molecole. Aggiungendo abbastanza deuterio, il numero di collisioni diventa immenso.
La costruzione dell’esperimento
Misurare il tasso “richiede un esperimento che permetta misurazioni molto precise e possa ancora essere descritto meccanicamente-quantisticamente”, ha affermato l’autore principale, il professor Roland Wester, in una dichiarazione. L’idea per l’esperimento è venuta a Wester 15 anni fa, ma il tunneling è così raro che ci è voluto un notevole sforzo per costruire un esperimento in cui potesse essere misurato.
