Deeltjes betrapt bij tunnelen

Beeld: Universiteit van Innsbruck / Harald Ritsch

In onze bekende macroscopische wereld blijft door een muur lopen wishful thinking en materiaal voor sciencefictionfilms. Maar in de microscopische wereld van de kleinste deeltjes is het wel degelijk mogelijk om door schijnbaar onoverkomelijke energetische barrières heen te dringen.

Dat zogeheten tunneleffect zorgt er onder andere voor dat chemische reacties toch kunnen plaatsvinden wanneer daar eigenlijk niet genoeg energie voor is. Exacte theoretische voorspellingen van hoe vaak het tunneleffect in een systeem optreedt, zijn uiterst ingewikkeld. Maar nu slaagden onderzoekers er voor het eerst in het verschijnsel experimenteel te bevestigen, zo blijkt uit een publicatie in Nature.

Als wetenschappers de natuur volledig willen begrijpen, moeten ze strikt genomen altijd beginnen met de quantummechanica. Die beschrijft hoe quantumobjecten zich gedragen op de kleinste schaal. Daar zijn wonderlijke dingen mogelijk, zoals het tunneleffect of quantumverstrengeling.

De meeste reacties kunnen echter niet vanuit de quantummechanica worden begrepen: met meer dan drie deeltjes worden de eenvoudig werkende systemen veel te complex. Om chemische reacties te begrijpen, vertrouwen onderzoekers daarom meestal op klassieke berekeningen en simulaties zonder quantumeffecten.

Waterstof

Maar het simpelste chemische element in het universum, waterstof, is net eenvoudig genoeg om het volledig met de quantummechanica te beschrijven. Onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck (Oostenrijk) wilden daarom de theoretische voorspelling van het tunnelingeffect in een eenvoudig waterstofsysteem experimenteel testen. Ze wilden tellen hoe vaak de deeltjes in dit systeem daadwerkelijk door energiebarrières heen tunnelen om met elkaar te reageren. Hiervoor gebruikten ze de waterstofisotoop deuterium, die ze eerst opsloten in een ionenval en afkoelden tot tien Kelvin, bijna tot het absolute nulpunt dus. Daarna voegden ze een gas van moleculaire waterstof toe.

Vanwege de extreem lage temperaturen zou er daarna niets meer mogen gebeuren: de deuterium-ionen zouden door de lage temperaturen niet over de nodige energie beschikken om met het waterstofgas te reageren. Maar het tunneleffect geeft ze vleugels: als een deuteriumion en een waterstofmolecule met elkaar botsen, kunnen ze toch een proton uitwisselen. De onderzoekers stopten het koude gasmengsel ongeveer vijftien minuten in de ionenval. Daarna telden ze de waterstofionen die bij de reactie H₂ + D⁻ → H⁻ + HD ontstonden en leidden daaruit af hoe vaak de chemische reactie had plaatsgevonden.

Exotisch?

In ongeveer één op de 100 miljard botsingen was er een uitwisseling van protonen en dus een reactie. Dat klinkt als weinig - en dat is het ook. Maar volgens de klassieke beschrijving had de reactiesnelheid nul moeten zijn, terwijl dit experimentele resultaat uitstekend overeenkomt met de theoretische voorspellingen uit de quantumfysica.

Hoewel het tunneleffect klinkt als een heel exotisch quantumverschijnsel, maken we er al enige tijd praktisch gebruik van: bijvoorbeeld in flashgeheugen op USB-sticks of in raster-tunnelling-microscopen. Onze zon zou geen kernfusie kunnen bedrijven zonder het tunneleffect, en ook radioactief alfaverval is erop gebaseerd. En volgens de huidige kennis zijn veel chemische reacties in het extreem koude heelal niet mogelijk zonder het tunneleffect, waaronder elementaire reacties als die van twee waterstofatomen tot moleculaire waterstof.