Deeltjes betrapt bij tunnelen

Deeltjes betrapt bij tunnelen

Delen:

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.

Hoe gaat kwantumtunneling precies in zijn werk?

Delen:

Francis Halzen ontvangt de Nobelprijs voor Fysica 2026 voor zijn voortrekkersrol in het onderzoek naar hoog-energetische neutrino's met ijs. De fysicus werkt aan de University of Wisconsin, maar groeide op in België. Hij is de tweede Belg die de Nobelprijs voor Natuurkunde wint, na François Englert in 2013.

BlogNatuurwetenschappen

Er lag een krokodil in de kast

125 jaar geleden kocht de KU Leuven een collectie fossielen die ze nooit meer heeft bekeken. Voor het eerst is een groep studenten op zoek gegaan naar krokodilachtige botten. Zij vonden aanwijzingen voor Diplocynodon, de oudste alligatorachtige.

In de klas kun je het misschien verbieden. Toch blijkt het in de praktijk nog knap lastig om delen door nul altijd te vermijden.

Vorige week liet OpenAI weten dat zijn model een van de moeilijkste wiskundige problemen, het Navier-Stokesprobleem over vloeistofbewegingen, had opgelost. De claim moet nog bevestigd worden, maar welke doorbraak is de volgende? En wat betekent dat voor andere mysteries uit de wetenschap?

ColumnNatuurwetenschappen

De kracht van kruisbestuiving

Soms heeft een schilder een wiskundige nodig en soms heeft een wiskundige, zoals ik, een kunstenaar nodig om te zien hoe wonderlijk wiskunde voor niet-wiskundigen werkelijk is.

In China is barnsteen gevonden van maar liefst 385 miljoen jaar oud. Het stamt uit een tijd waarin insecten nog niet de grootste vijanden van planten waren.

Toen de Chicxulub-asteroïde 66 miljoen jaar geleden insloeg, was dat misschien nog maar het begin van de ramp. Nieuw onderzoek suggereert dat een wereldwijde stofdeken de hitte van de inslag vasthield en terugkaatste naar de aarde. Het gevolg? Wereldwijde natuurbranden die het einde van de dinosauriërs mogelijk al binnen enkele uren bezegelden.

ColumnNatuurwetenschappen

Bron van quantumkansen

Honderd zomers geleden deden kansen hun intrede in de quantummechanica. Dit gebeurde zonder veel fanfare: in een kort artikel van de theoretische fysicus Max Born uit Göttingen. Wetenschapsfilosoof Sylvia Wenackers schrijft over wat dit teweegbracht in de decennia daarna.

De ruimterots die 66 miljoen jaar geleden de dinosauriërs van de aardbodem veegde, blijkt veel zeldzamer te zijn dan gedacht. Onderzoekers identificeren haar als een uitzonderlijke meteorietsoort die nauwelijks op aarde gevonden wordt. Dat zet de deur open naar een nieuwe verklaring voor de massa-extinctie.

En blijf op de hoogte van de laatste inzichten in wetenschap en technologie.

Nieuwsbrieven