İlk kez bir deneyde kuantum tünelleme reaksiyonu gözlemlenebildi

Kimyasal reaksiyonlar Beylikdüzü’nden Kadıköy’e gitmeye benzer: Metrobüse bindiğiniz için trafik yaşamazsınız ama oraya ulaşabilmek için kat etmeniz gereken yollar adeta bir zulümdür. Moleküllerin geçmesi gerektiği enerji değişimlerini de metrobüsün yakıtı olarak düşünebilirsiniz. Bir reaksiyonun başlangıcı ve bitişine aracılık eden molekül, enerjiden yoksunsa bir türlü hareket edemez ve dolayısıyla uygun reaksiyonlar hiç meydana gelmez. Yine de bazı durumlarda parçacıkların bazen geçemeyecekleri enerji bariyerlerini aşmalarına olanak tanıyan kuantum tünelleme sayesinde bu tür reaksiyonlar gerçekleştirebilir. Bu beklenmedik davranış geleneksel fizik yasalarına aykırı olsa da kuantum mekaniği çerçevesinde mümkündür.

Bir parçacığın basitçe bir enerji bariyerinin diğer tarafında belirebileceği fikri Alman fizikçi Friedrich Hund’a kadar uzanıyor. Hund, 1927 yılında moleküllerin ışıkla nasıl etkileşime girdiğini araştırırken tünellemenin teorik olarak mümkün olması gerektiğini keşfetti. Kuantum mekaniğine göre parçacıklar katı kürelerden ziyade olasılık bulutlarına benzer. Bir parçacığın konumunu temsil eden bu olasılık bulutları, sonsuza kadar uzanır. Dolayısıyla oldukça düşük bir ihtimal dahi olsa bir kuantum parçacığı teorik olarak, klasik bir parçacığın asla geçemeyeceği bir enerji bariyerinin diğer tarafı da dahil olmak üzere herhangi bir yerde ortaya çıkabilir.

Tünelleme, 1928’de ilk zaferlerinden belki de en büyüğünü elde etti. Atom çekirdeklerinin iki protonlu ve iki nötronlu helyum çekirdeği olan ‘alfa parçacıkları’ yaydığı ve bu süreçte daha küçük çekirdeklere dönüştüğü yaygın bir radyoaktif bozunma türü olan nükleer alfa bozunmasını ayrıntılı bir şekilde açıkladı. Buna göre bir hidrojen molekülünün ve döteryum iyonunun üç atomu bir çizgi halinde birbirine yaklaştığında ve bir hidrojen atomu döteryum ile bağ kurmak için atladığında reaksiyon gerçekleşiyor. Normalde düşük sıcaklıklarda bu reaksiyonun imkansız olması gerekirken tünelleme yöntemiyle mümkün olabiliyor. İşte o zamandan beri bilim insanları, pek çok çeşitli bağlamda öbür türlü açıklanamaz olan konulara açıklık getirebilmek için tünellemeden faydalandı.

Kuantum tünellemenin ardındaki fikir neredeyse bir asırlık olsa da, kimyasal reaksiyonlarda tünellemeyi gözlemlemek için teori ve deneyi bir araya getirmek zor. Bunun sebepleri arasında tünellemenin nadir olarak yaşanması ve buna bağlı reaksiyonların da genellikle yavaş gerçekleşmesi var. Dahası teorik hesaplamaların karmaşıklığı da bilim insanlarının tünelleme reaksiyon hızlarını ancak en basit reaksiyonlarda tahmin edebilmesine yol açıyor. Araştırmacılardan biri konuyla ilgili olarak, “Üç atom arasındaki reaksiyonlarda hesaplama yapabilirsiniz. Dört atomda bunu başarabilecek birkaç grup var. Beş atomla ise bunu tamamen kuantum olarak yapabilecek kimse yok” diyor.

İmkansızı başardılar

Nature dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada bilim insanları, klasik fizikteki hidrojen molekülleri ile döteryum iyonları arasında gerçekleşmesi imkansız bir reaksiyon olarak görülen kuantum tünellemesini saptamayı başardı. Döteryum iyonu ne diye soracak olursanız hidrojenin daha ağır ve yüklü versiyonu diyebiliriz. Günümüzde nükleer füzyon reaktörlerinde yakıt olarak kullanılıyor. Konumuza geri dönecek olursak araştırmacılar ilk kez iyonları içeren bir reaksiyonda tünelleme oranına ilişkin teorik bir öngörüyü deneysel olarak doğrulamayı başardı.

Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi’nden moleküler fizikçi Roland Wester ve ekibi bu araştırma kapsamında hesaplama yapabilmek için özellikle hidrojen gazı ve döteryumu seçti. Çünkü bu ikili arasındaki reaksiyonun hızını kuantum mekaniği ile tahmin etmek o kadar da zor değil. Gerçekleşen reaksiyonda bir hidrojen gazı molekülü bir döteryum iyonuyla çarpışarak hidrojen iyonu ve ağır döteryum içeren hidrojen molekülü üretti. Wester ve ekibinin ulaştığı sonuç, benzer bir deneyi 2018’de yapan Central Florida Üniversitesi’nden teorik fizikçi Viatcheslav Kokoouline’in tahmin ettiği reaksiyon hızından yüzlerce kat daha düşük bir tahmini ortaya koydu.

Sorun reaksiyonun son derece yavaş olmasıydı ve Innsbruck’un doğru bir ölçüm yapmak için 15 yıl boyunca sorunları gidermesi ve düzeltme yapması gerekti. Bunu yapmak için araştırmacılar, döteryum iyonlarını bir elektrik alanı kafesine hapsetti, hidrojen gazı ile yıkadı ve her şeyi -258 dereceye kadar soğuttu. Bu kadar soğuğa maruz kalan hidrojen ve döteryum, tünellemeden reaksiyona girebilecekleri enerjiden yoksun kaldı. Yaklaşık 15 dakika bekledikten sonra bilim insanları, reaksiyon hızını bulmak için kaç hidrojen iyonu üretildiğini ölçtü.

Wester, 15 dakikanın kulağa çok gelmediğini ancak klasik reaksiyonlarda bilim insanlarının genellikle 100 milisaniye ölçüm yaptığını ve neredeyse tüm iyonların ürüne dönüştüğünü gördüklerini söyledi. Wester’in bir sonraki sözü ise klasik fizik ile tünelleme arasındaki farkı daha iyi anlamanızı sağlayacak: “Biz bin saniye boyunca bekledik ve iyonların yüzde 1’inden daha azı ürüne dönüştü.”

Tünelleme, hidrojen ve döteryum iyonu arasındaki her 100 milyar çarpışmadan yalnızca birinde meydana geldi. Bu da Kokoouline ve ekibinin teorik hesaplamalarıyla uyuştuğu anlamına geliyor. Burada, Dünya’da bu küçük tünelleme oranının ilk kez saptanması, fizikçilerin kuantum moleküler teorileri konusunda doğru yolda olduklarını gösteriyor. Bu adımlar kimya ile kuantum mekaniğini birleştirmeye yönelik gelecekteki teorik çabalar için de bir ölçüt oluşturuyor.

Hawking’in kara delik paradoksunun nasıl çözülebileceğini öğrenmiş olabiliriz