Makroskopické kvantové fenomény objeveny v ledu  
Dvojice čínských vědců zjistila, že se při teplotách pod 20 kelvinů v krystalové struktuře ledu odehrává mnohonásobné kvantové tunelování vodíkových iontů.

 

Kostka ledu umí i kvantové fenomény. Kredit: Lusilier / Wikimedia Commons.
Kostka ledu umí i kvantové fenomény. Kredit: Lusilier / Wikimedia Commons.

Když voda zamrzá do ledu, tak se přitom atomy kyslíku, uspořádávají do mřížky podobné soustavě šestiúhelníků. Atomy vodíku naproti tomu zůstávají poněkud neuspořádané. Proces mrznutí přitom ovládají jednoduchá pravidla mrznutí (anglicky ice rules). Podle těchto pravidel může být vždy jen jeden atom vodíku mezi dvěma atomy kyslíku, zatímco každý atom kyslíku může být vázán ke čtyřem atomům vodíku, vazbami dvou různých délek.

Shanghai University of Electric Power. Kredit: Study in China.
Shanghai University of Electric Power. Kredit: Study in China.


Kvůli těmto vazbám dvou různých délek jsou mezi každým párem atomů kyslíku dvě různá místa vhodná pro umístění jednoho atomu vodíku (který je v tomto případě očesán o elektron a stává se protonem). Za teplot vyšších než 136 kelvinů (čili mínus 137,15 °C) mají tyto protony (tedy vodíky) v ledu dost energie k pohybu mezi dvěma zmíněnými vhodnými místy mezi párem atomů kyslíku. Když ale teplota klesne pod inkriminovaných 136 kelvinů, tak protony už na takové hemžení nemají energii a náhodně zatuhnou v jednom ze dvou možných míst. Přesněji řečeno, vědci si to doteď mysleli.

Vodíky (modře) střídají pozice mezi kyslíky (červeně). Kredit Yen & Gao (2015), American Chemical Society.
Vodíky (modře) střídají pozice mezi kyslíky (červeně). Kredit Yen & Gao (2015), American Chemical Society.

Čínští badatelé Fei Yen z Čínské akademie věd a Tian Gao z Šanghajské univerzity elektrické síly právě publikovali výzkum, při němž objevili podivné chování ledu při teplotách blízkých 20 kelvinům (tedy mínus 253,15 °C). Podle nich lze tuto anomálii nejlépe vysvětlit kvantovým tunelováním (quantum tunelling) mnoha protonů současně. Jestli mají pravdu, tak se jedná o vzácný případ kvantového fenoménu, který se projevuje v makroskopickém měřítku. A co víc, po supravodivosti je to teprve druhý případ makroskopického kvantového fenoménu pozorovaného v systému založeném na fermionech, čili protonech, elektronech a dalších hmotných částicích. Makroskopické kvantové jevy jsou totiž jinak k vidění v systémech založených na fotonech, tedy bosonech, které, jak známo, žádnou hmotnost nemají.

Zjednodušeně řečeno, pohyb nábojů v ledu se zvyšuje za teploty 20 K a nižší. Kredit: Yen & Gao (2015), American Chemical Society.
Zjednodušeně řečeno, pohyb nábojů v ledu se zvyšuje za teploty 20 K a nižší. Kredit: Yen & Gao (2015), American Chemical Society.


Yen a Gao přišli na to, že se protony v ledu při teplotě 20 kelvinů a nižší ve skutečnosti opět pohybují mezi dvěma možnými místy výskytu mezi páry atomů kyslíku. Běžným způsobem to dělat nemohou, schází jim k tomu energie. Kvantovým tunelováním to ale zvládnou. Tento jev je sice vyvolaný vlnovou povahou částic, která se projevu ve kvantovém měřítku a nefunguje na makroskopické úrovni, Yen a Gao ale názorně předvedli, že kombinované efekty mnoha kvantových tunelování mohou být pozorovány a také změřeny i v makroskopickém světě.

Autoři studie přitom využili trik, spočívající ve měření dielektrických vlastností ledu. Led je, jak známo, dielektrikum, tedy nevodič. V přítomnosti elektrického pole se ale jeho molekuly polarizují a mohou se projevovat v elektrickém poli. Yen a Gao zkoumali dielektrické vlastnosti ledu tak, že do ledu v teflonové komoře umístili dva platinové plíšky a celé to důkladně zmrazovali. Při teplotě 20 kelvinů a nižší objevili anomálii v dielektrickém chování ledu, kterou lze vysvětlit právě zdánlivě nemožným pohybem protonů v ledu. Kromě toho zjistili, že zmíněné chování souvisí s použitým izotopem vodíku. V těžkém ledu, tedy ledu v němž je vodík zastoupený deuteriem, totiž žádné podobné chování vodíku nepozorovali. 

Nadšení vědci nehodlají zůstat u pozorování vodního ledu a chystají se  pozorované kvantové fenomény hledat i v dalších systémech. Podle nich se mohou vyskytovat v dalších molekulách s atomy vodíku, když budou vystaveny podobně extrémním teplotám. Prozatím si ale stále hrají s vodním ledem, který je pro ně podle všeho dostatečným zdrojem zábavy. Zkoumají ho za vysokých tlaků, při nichž led krystalizuje jiným způsobem a zjišťují, zda to má na makroskopické kvantové jevy nějaký vliv.



Literatura
Phys.Org 21. 7. 2015, Journal of Physical Chemistry Letters 6: 2822–2825, Wikipedia (Ice rules, Quantum tunnelling).

 

Datum: 22.07.2015
Tisk článku

Sbírka problémů z kvantové teorie - Klíma Jan, Šimurda Miroslav
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 260 Kč
cena: 244 Kč
Sbírka problémů z kvantové teorie
Klíma Jan, Šimurda Miroslav
Související články:

Kvantový Hallův jev za pokojové teploty     Autor: Stanislav Mihulka (18.02.2007)
Když voda mrzne při mínus čtyřicítce     Autor: Dagmar Gregorová (26.11.2011)
Umožní nová hybridní částice kvantovou kondenzaci při pokojové teplotě?     Autor: Stanislav Mihulka (22.10.2013)



Diskuze:

článek je částečně přístupný přes Wiky, quantum tunelling

Josef Hrncirik,2015-08-10 21:20:36

led je při nízkých teplotách prakticky isolant s nízkou diel. konstantou a malým ztrátovým úhlem. Proto mě zajímalo, jak ho přesně změřili.
Předpokládal jsem nějaké lepší 4 vodičové zapojení kompenzující parazitní kapacity a teplotní vlivy a polarizaci elektrod. Dost záhadně měřili i pod tlakem 63 či 150 MPa. Nemají plochu elektrod či kapacitu, není uváděný ztr. úhel, ale ale jen arbitrary units e´´. Není jasné jaký oříšek měření představovalo (při malé kapacitě a malých ztrátách a malé frekvenci), a jak je spolehlivé.
Nevidím důvod aby výrazný tunelling začal či se zvětšil pod 16 K. Jejich tunel neměnil dipól moment ani snad polarizovatelnost, proč by se tedy v poli tunelovalo, ev. se ztratila energie kondenzátoru? Píše se o pohybu protonů, ale ty vznikají až disociací a navíc vznikne OH-. Ionty se na elektrodě ev. musí vybít, je to vlastně elektrolýza, vyžaduje to čas a velmi mnoho energie oproti ztrátám v poli. Již malý přebytek nevybitých iontů vyvolá obrovský potenciál a děj se zastaví, či formální dipól moment proti poli, ale energii nestihne vrátit (PROBLÉM MĚŘENÍ VODIVOSTI ELEKTROLYTŮ). Tunel, netunel mění se jim modifikace ledu snadno i pod Tg. é´ má slabé a pro protony? podivné maximum při velmi nízké frekvenci cca 12 kHz. Stejně to prakticky nevede, ani netratí, ani to nemá pořádnou kapacitu, ani se to nemění a nedá ovládat. Volných H+ či OH- při kryoteplotě musí být zanedbatelně a asi kromě H+, které se stejně asociuje s vodou, jsou nepohyblivé. Takže asi supra nevodivý, neztrátový, ne HiFi (12 kHz)netranzistor, netyristor, prostě běžný tunelizolátor.

Plán makroskopického tunelování fermionů je splněn.
vĚDECKÝ KRVÁK Z kryogenní PITNÉ VODY PRO POLOVODIČE.
kéž BYCH SE MÝLIL.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace